本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(mems)，尤其是涉及一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器。

背景技術(shù)：

1、自上世紀(jì)80年代初期以來，微機(jī)電系統(tǒng)(mems)諧振式壓力傳感器逐漸成為壓力測量領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。在mems技術(shù)的支持下，壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了微小化、高精度化和低成本化。然而，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，極端環(huán)境下的壓力傳感器應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注，特別是在高端裝備、軍事武器、航空航天、深海探測等領(lǐng)域。在這些極端環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)高靜壓下的微差壓檢測成為mems壓力傳感器面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)。

2、mems壓力傳感器可根據(jù)測試壓力的參考基準(zhǔn)分為差壓、絕壓和表壓類型，其核心敏感機(jī)制包括壓阻式、壓電式和諧振式三種。諧振式壓力傳感器因其高精度、高靈敏度和穩(wěn)定性的優(yōu)勢，在壓力測量領(lǐng)域廣受青睞，綜合精度可優(yōu)于0.01％fs。然而，對于差壓傳感器而言，如何在高靜壓背景下實(shí)現(xiàn)微小差壓檢測仍然是一項技術(shù)難題，提升差壓傳感器的靈敏度成為提升整體性能的關(guān)鍵。

3、在此背景下，國內(nèi)外許多公司和研究團(tuán)隊開始研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。國外企業(yè)如druck、yokogawa、paroscientific和thales等早在20世紀(jì)80年代就開始了這類產(chǎn)品的研發(fā)工作。國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)和高校，如中國科學(xué)院電子學(xué)研究所、北京航空航天大學(xué)、電子科技大學(xué)、廈門大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等，則于20世紀(jì)90年代開始涉足該領(lǐng)域的研究工作。成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司(專利文獻(xiàn)：一種高靜壓環(huán)境下的微差壓mems傳感器及其制造方法，專利號：zl202010123456.9，公開日期：2022-04-05。)詳細(xì)回顧mems壓力傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，表明在高靜壓微差壓檢測領(lǐng)域仍存在巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供在高靜壓環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)低靜壓誤差和高靈敏度比值的一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器。

2、為了達(dá)到這一目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器，自下至上依次設(shè)置上感壓層、平衡硅島層、諧振層、下感壓層及玻璃層；

4、所述上感壓層與平衡硅島層上部鍵合，上感壓層的上壓力膜位于一側(cè)，上感壓層的上壓力膜與平衡硅島層的上主島位置匹配，以確保壓力傳遞的一致性和準(zhǔn)確性；

5、所述平衡硅島層包含上主島、下主島及副島，以及四個電極孔，用于與諧振層的電連接；平衡硅島層與諧振層緊密結(jié)合，用于平衡靜壓傳來的應(yīng)力變化，并將差壓應(yīng)力變化傳遞至諧振層；副島與下主島同一側(cè)，四個電極孔在該層結(jié)構(gòu)的尾端分布且對應(yīng)諧振層電極結(jié)構(gòu)，通過電極孔實(shí)現(xiàn)與諧振層的電連接；平衡硅島層可動結(jié)構(gòu)釋放槽用于鍵合固定諧振層并使得主梁有自由振動的空間；

6、所述諧振層包括平衡質(zhì)量塊、蓋板、主梁、副梁、檢測電極、驅(qū)動電極及接地電極，主梁與副梁相互連接，驅(qū)動電極用于驅(qū)動諧振副梁使得主梁產(chǎn)生初始振動幅值，根據(jù)不同壓力下輸出頻率不同，通過檢測電極檢測信號；平衡質(zhì)量塊位于上壓力膜與上主島之間，用來平衡及傳遞應(yīng)力，確保傳感器在高靜壓環(huán)境下的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；

7、所述下感壓層包括下壓力膜及下感壓層可動結(jié)構(gòu)釋放槽，下壓力膜的周邊部分與玻璃層粘結(jié)，以固定整個傳感器芯體，確保傳感器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和長期可靠性；下感壓層可動結(jié)構(gòu)釋放槽用來釋放諧振層主梁與副梁振動；

8、所述玻璃層用來固定上感壓層、平衡硅島層、諧振層、下感壓層結(jié)構(gòu)，玻璃層上設(shè)有玻璃層通氣孔，玻璃層通氣孔用于下方氣體(液體)通入，使下感壓膜敏感介質(zhì)壓力并產(chǎn)生對應(yīng)的位移變化。

9、進(jìn)一步的，上感壓層的上壓力膜采用高彈性硅材料制成，以提高傳感器對壓力變化的響應(yīng)速度和靈敏度。

10、進(jìn)一步的，上感壓層采用單晶硅材料，厚度可為500微米；上感壓膜的厚度可為2微米。

11、進(jìn)一步的，平衡硅島層的上主島和下主島形成穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)，以減少靜壓誤差。

12、進(jìn)一步的，諧振層的平衡質(zhì)量塊采用高剛性硅材料制成，以提高諧振層的諧振穩(wěn)定性。

13、進(jìn)一步的，下感壓層的下壓力膜與玻璃層之間的粘結(jié)采用高密封性硅材料，以確保傳感器在高靜壓環(huán)境下的密封性能。

14、進(jìn)一步的，各層之間的通過高溫鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)層間緊密結(jié)合，確保傳感器的整體性和穩(wěn)定性。

15、進(jìn)一步的，電極孔通過濕法腐蝕技術(shù)制作，用于連接外部電路。

16、進(jìn)一步的，諧振層的電極通過微焊接技術(shù)與外部電路連接，以確保信號的準(zhǔn)確傳輸。

17、進(jìn)一步的，諧振層的厚度與差壓靈敏度有著密切聯(lián)系，為保證高靜壓載荷下對差壓的準(zhǔn)確敏感，諧振層的厚度經(jīng)分析優(yōu)化確定其范圍在60～70μm最佳。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

19、1、通過上下感壓層抵抗靜壓載荷及主島夾持中間膜的設(shè)計，顯著降低靜壓對測量結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)低靜壓誤差。

20、2、傳感器的差壓靈敏度與靜壓誤差的比值非常高，提高測量精度。

21、3、適用于多種高精度測量場景，尤其是在高靜壓環(huán)境下，如石油化工、航空航天、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

22、4、采用先進(jìn)的微加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化和低成本生產(chǎn)，同時保證了長期穩(wěn)定性和重復(fù)性。

技術(shù)特征：

1.一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器，其特征在于自下至上依次設(shè)置上感壓層、平衡硅島層、諧振層、下感壓層及玻璃層；

2.如權(quán)利要求1所述一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器，其特征在于所述上感壓層的上壓力膜采用高彈性硅材料制成，以提高傳感器對壓力變化的響應(yīng)速度和靈敏度。

3.如權(quán)利要求1所述一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器，其特征在于所述上感壓層采用單晶硅材料，厚度為500μm；上感壓膜的厚度為2μm。

4.如權(quán)利要求1所述一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器，其特征在于所述平衡硅島層的上主島和下主島形成穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)，以減少靜壓誤差。

5.如權(quán)利要求1所述一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器，其特征在于所述諧振層的平衡質(zhì)量塊采用高剛性硅材料制成，以提高諧振層的諧振穩(wěn)定性。

6.如權(quán)利要求1所述一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器，其特征在于所述下感壓層的下壓力膜與玻璃層之間的粘結(jié)采用高密封性硅材料，以確保傳感器在高靜壓環(huán)境下的密封性能。

7.如權(quán)利要求1所述一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器，其特征在于各層之間的通過高溫鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)層間緊密結(jié)合，確保傳感器的整體性和穩(wěn)定性。

8.如權(quán)利要求1所述一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器，其特征在于所述電極孔通過濕法腐蝕技術(shù)制作，用于連接外部電路。

9.如權(quán)利要求1所述一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器，其特征在于所述諧振層的電極通過微焊接技術(shù)與外部電路連接，以確保信號的準(zhǔn)確傳輸。

10.如權(quán)利要求1所述一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器，其特征在于所述諧振層的厚度在60～70μm。

技術(shù)總結(jié)
一種面向高靜壓環(huán)境的低靜壓誤差諧振差壓傳感器，涉及微機(jī)電系統(tǒng)。用于在高靜壓條件下實(shí)現(xiàn)低靜壓誤差和高靈敏度比值的差壓測量。傳感器采用單諧振器結(jié)構(gòu)，通過中間膜的微動驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)對流體壓力差的精確捕捉。特別在高靜壓環(huán)境下的靜壓誤差控制，通過上下感壓層抵抗靜壓載荷及主島夾持中間膜的設(shè)計，顯著降低靜壓對測量結(jié)果的影響。傳感器差壓靈敏度與靜壓誤差的比值高，在高靜壓環(huán)境下也能保持優(yōu)異的測量性能。適用于多種高精度測量場景，尤其是在石油化工、航空航天、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，能為用戶提供可靠、精確的差壓測量解決方案。通過采用先進(jìn)的微加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小型化和低成本生產(chǎn)，同時保證長期穩(wěn)定性和重復(fù)性。

技術(shù)研發(fā)人員：王凌云,李佳音,卜振翔,程至印
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廈門大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2