雙諧振器壓力傳感器的溫度自補(bǔ)償方法和測(cè)量方式的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙諧振器壓力傳感器的溫度自補(bǔ)償方 法和測(cè)量方式。
【背景技術(shù)】
[0002] 微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，簡(jiǎn)稱 MEMS)是一種在融 合多種微細(xì)加工技術(shù)，利用從半導(dǎo)體技術(shù)中發(fā)展而來(lái)的成熟技術(shù)，MEMS器件可進(jìn)行大批量、 低成本生產(chǎn)。另外，MEMS器件普遍具有體積小，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在航空航天、汽車制造等 多個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。諧振式微機(jī)械壓力傳感器的輸出檢測(cè)信號(hào)由諧振器的振動(dòng)頻率信號(hào) 直接轉(zhuǎn)換而成，相對(duì)于電容式、電阻式和壓電式等輸出的幅度信號(hào)（主要是電壓幅值），頻 率信號(hào)具有更高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
[0003] 本申請(qǐng)的申請(qǐng)人在2013年提交了基于SOI工藝的電磁激勵(lì)電磁檢測(cè)的高精度硅 微諧振式氣壓傳感器的專利申請(qǐng)（201310429703. 1)。該專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容納入本發(fā)明中 作為參考。
[0004]如圖1所示，該高精度硅微諧振式氣壓傳感器包括：傳感器芯片1、應(yīng)力隔離層2、 金屬管座3、管帽4和磁鐵5。其中，傳感器芯片1通過(guò)應(yīng)力隔離層2固定在金屬管座3上； 金屬管座3置有八個(gè)管針6,通過(guò)金絲球焊的引線7與傳感器芯片1上引線孔8中的金屬電 極相連，起到電信號(hào)引出的作用；磁鐵5固定在帶有導(dǎo)氣孔的管帽4上，管帽4蓋在金屬管 座3上，其下端與金屬管座3周緣密封固接。
[0005] 傳感器芯片1由SOI硅片9和硼硅玻璃蓋片10組成。SOI硅片9上有兩個(gè)H型諧 振器11、八個(gè)支撐錨點(diǎn)12、氣壓敏感膜13、八個(gè)引線端14和真空密封框15 ;硼硅玻璃蓋片 10上制作了引線孔8和真空密封腔16,通過(guò)陽(yáng)極鍵合的方法與SOI硅片9緊密地結(jié)合在一 起，形成真空參考腔16,使得兩個(gè)H型諧振器11被密封在真空參考腔16內(nèi)。
[0006] H型諧振器11由兩根長(zhǎng)度、寬度和厚度完全一致的雙端固支矩形梁構(gòu)成，兩根梁 的中心部位用一個(gè)厚度與梁一樣的矩形塊連接，這樣能確保兩根梁在低階頻率時(shí)能夠同時(shí) 同相同頻振動(dòng)。其中兩個(gè)H型諧振器11懸空，兩個(gè)H型諧振器11中每一個(gè)的四個(gè)端點(diǎn)各 自通過(guò)八個(gè)支撐錨點(diǎn)12固支于氣壓敏感膜13上。H型諧振器11的單根梁與支撐其的相應(yīng) 兩個(gè)支撐錨點(diǎn)12和兩個(gè)引線端14構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電流（或檢測(cè)電流）的通路。
[0007] H型諧振器11采用電磁激勵(lì)檢測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)傳感器的信號(hào)檢測(cè)和輸出，當(dāng)H型諧 振器11的單根梁通過(guò)交變電流時(shí)，由于磁鐵提供了垂直于紙面方向的磁場(chǎng)，H型諧振器11 受到平行于紙面的安培力。當(dāng)通過(guò)的交變電流頻率與諧振器的固有頻率一致時(shí)，諧振器振 動(dòng)幅度最大，另一根單梁由于切割磁感線產(chǎn)生了交變電動(dòng)勢(shì)，因此會(huì)對(duì)外輸出電信號(hào)，而此 電信號(hào)頻率與H型諧振器11固有頻率相同。由于氣壓敏感膜13的一側(cè)為真空參考腔16， 當(dāng)有Z軸方向氣體壓力作用在氣壓敏感膜13的另一側(cè)，氣壓敏感膜13將會(huì)發(fā)生形變。使 得放置在氣壓敏感膜13邊緣的H型諧振器11 (如圖1所示的左邊的H型諧振器）受到壓 應(yīng)力，而另一個(gè)諧振器11受到拉應(yīng)力。兩個(gè)H型諧振器所受到的彎曲應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致其固有頻 率的變化，因此諧振器固有頻率的大小能表征氣壓的大小。
[0008] 由于諧振式微機(jī)械壓力傳感器具有極高的壓力靈敏度，它對(duì)環(huán)境溫度也非常敏 感，環(huán)境溫度帶來(lái)的諧振梁內(nèi)應(yīng)力等變化將導(dǎo)致較大的壓力輸出，使得器件的溫度穩(wěn)定性 變差。因此諧振式微機(jī)械壓力傳感器的溫度補(bǔ)償技術(shù)成為了影響傳感器綜合精度的重要因 素。
[0009] 傳統(tǒng)的溫度補(bǔ)償方法是通過(guò)外置溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，但這種方法存在溫 度場(chǎng)分布不確定以及熱傳導(dǎo)延遲等問(wèn)題。溫度自補(bǔ)償是指利用傳感器自身性質(zhì)，而不需要 額外的溫度敏感元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的溫度補(bǔ)償。清華大學(xué)王勁松等人在《石英諧振式力傳感器的 溫度特性及其自補(bǔ)償》一文中提出一種利用諧振器基頻振動(dòng)與三次諧波振動(dòng)溫度特性不同 的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，但這就使得諧振器無(wú)法連續(xù)穩(wěn)定地工作在某一頻率下，導(dǎo)致測(cè) 量精度偏低。
[0010] 此外，采用一元補(bǔ)償方式時(shí)，是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的載荷下，測(cè)量傳感器的溫度特性，然 后認(rèn)為在其他的載荷條件下器件的溫度特性不變，并依此進(jìn)行補(bǔ)償。這就使得補(bǔ)償僅在標(biāo) 準(zhǔn)載荷下精度較高，而傳感器量程內(nèi)的其他載荷下精度較低。最終使得器件難以在滿量程 壓力載荷下達(dá)到滿意的補(bǔ)償效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] (一）要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0012] 鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種雙諧振器壓力傳感器的溫度自補(bǔ)償方法和 測(cè)量方式，以提高雙諧振器壓力傳感器的測(cè)量精度。
[0013] (二）技術(shù)方案
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種雙諧振器壓力傳感器的溫度自補(bǔ)償方法。所 述雙諧振器壓力傳感器為利用第一諧振器和第二諧振器的頻率計(jì)算壓力的傳感器。該溫度 自補(bǔ)償方法包括：在預(yù)設(shè)溫度范圍內(nèi)，選定m個(gè)溫度標(biāo)定點(diǎn)；在預(yù)設(shè)壓力范圍內(nèi)，選定n個(gè) 壓力標(biāo)定點(diǎn)；分別在每個(gè)溫度標(biāo)定點(diǎn)、每個(gè)壓力標(biāo)定點(diǎn)下測(cè)量?jī)芍C振器的頻率，分別測(cè)試得 到第一諧振器的頻率和第二諧振器的頻率f 2，共得到mXn組標(biāo)定數(shù)據(jù)；以及利用上述 mXn組標(biāo)定數(shù)據(jù)，采用二元函數(shù)擬合法得到所述雙諧振器壓力傳感器的壓力函數(shù)匕的表達(dá) 式，即 p = G! (f\，f2)。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種雙諧振器壓力傳感器的測(cè)量方式。該測(cè) 量方式包括：獲取第一諧振器的頻率和第二諧振器的頻率f 2;將第一諧振器的頻率f :和 第二諧振器的頻率f2代入壓力函數(shù)G i的表達(dá)式中，計(jì)算當(dāng)前壓力，其中，所述壓力函數(shù)G : 為：p = Gi (f\，f2)。
[0016] (三）有益效果
[0017] 本發(fā)明通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)諧振梁的頻率進(jìn)行溫度自補(bǔ)償，無(wú)需外部溫度敏感元件，可 以克服溫度場(chǎng)分布不確定導(dǎo)致的溫度測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題，提高補(bǔ)償精度。并且無(wú)需額外測(cè) 量其他物理量，可降低測(cè)量的復(fù)雜度。此外，本發(fā)明采用二元數(shù)據(jù)擬合的方法，可以做到在 滿壓力量程、全溫度范圍內(nèi)的補(bǔ)償，提高在滿量程內(nèi)的補(bǔ)償效果。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)硅微諧振式氣壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例雙諧振器壓力傳感器的溫度自補(bǔ)償方法的示意圖；
[0020] 圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例雙諧振器壓力傳感器溫度自補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量方式的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)描述中，相似或相同的部 分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員 所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了