硅微机械谐振压力传感器技术的发展

叶俊

现阶段，硅微机械谐振压力传感器应该是稳定性最好及精确度最高的传感器，在航空航天及工业等领域内广泛应用。按照硅微机械谐振压力传感器目前研究成果，对硅微机械谐振压力传感器工作原理进行阐述，分析不同类别硅微机械谐振压力传感器芯体结构，对硅微机械谐振压力传感器未来发展方向进行分析，希望能够增加对硅微机械谐振压力传感器技术的了解。

【关键词】微机械 谐振 压力传感器 谐振器 激励 检测

硅微机械谐振压力传感器是现阶段航空航天领域及这工业控制领域等主要应用的压力传感器，主要对物体压力间接性检测，得出精确检测数据，特别适合远距离传输应用，信息采集与处理更加便捷。硅微机械谐振压力传感器在运行过程中处于机械谐振状态，所以抗干扰性能较高，精确度较高。与此同时，与传统压力传感器相比较，设备体积更小、冲击力吸收效果更好等优势。

1 硅微机械谐振压力传感器工作原理

按照硅微机械谐振压力传感器芯体结构的差异，可以将硅微机械谐振压力传感器分别两种，分别为谐振器复合结构与谐振器复合结构。就谐振器复合结构来说，谐振器主要安装在压力敏感膜片表面，同时需要对压力环境进行密封处理。压力在发生变化之后，压力敏感膜片就会产生变化，谐振器刚度就会发生变化，压力测量上主要利用谐振器频率变化；就谐振器复合结构来说，压力在发生变化情况下，振动膜形状的改变之后，对固有频率变化进行了解之后，能够起到对压力检测的目的。

在对硅微机械谐振压力传感器分析研究过程中，都是在上世纪80年代开始研究，振动膜结构与谐振器结构在制作上十分简单，由于受到同振质量的影响，振动膜结构在压力检测过程中，需要受到自身结构稳定性影响。伴随着MEMS技术逐渐完善，硅微机械谐振压力传感器已经成为压力传感器研究的主要内容，同时发达国家在对硅微机械谐振压力传感器研究上已经取得了十分显著成果，同时广泛应用。

2 压力敏感膜片与谐振器复合结构

2.1 静电激烈与电容检测方式

英国研究人员在对硅微机械谐振压力传感器研究过程中，在上世纪80年代就已经研究出了第一台硅微机械谐振压力传感器原型，同时压力敏感薄片在制作上已经应用浓硼进行雕刻，通过静电激烈与电容检测方式。

研究人员在对硅微机械谐振压力传感器原型样件分析研究之后，推出了一种全新气压计，通过玻璃浆料进行连接，应用玻璃管将谐振器处于真空状态。在1995年该型号压力传感器正在大批量生产，同时谐振器结构进一步完善。压力敏感膜片形状在发生改变之后，谐振器极了与电容器之间的间隙发生显著变化，这样造成闭环控制难度显著提高。同时由于谐振器与压力敏感膜片之间呈现垂直结构，这样造成压力敏感期与外部环境在发生耦合变化之后，传感器检测精确度就会受到显著影响。

2.2 静电激烈与压阻检测方式

静电激烈与压阻检测方式在硅微机械谐振压力传感器上应用，是由美国研究人员提出，在压力传感器表面上具有温度传感器，同时谐振器属于双端固梁结构。研究人员在不断分析研究之后，开始逐渐在各种新型表面加工工艺在静电激烈与压阻检测方式上。硅微机械谐振压力传感器不同结构之间呈现垂直结构，这样就造成谐振器与压力敏感期频率较低，二者之间耦合程度显著降低。在这种情况下，传感器精确度会受到振动器的影响。

3 硅微机械谐振压力传感器技术发展趋势

3.1 提高硅微机械谐振压力传感器精确度

硅微机械谐振压力传感器芯体结构相对而言较为简单，但是硅微机械谐振压力传感器振动膜在运行过程中，并不会受到待测压力影响，同时硅微机械谐振压力传感器振动精确度还需要进一步影响。硅微机械谐振压力传感器要是为谐振器复合结构，这样造成芯体结构十分繁琐，谐振器处于密封状态下振动稳定性显著提高，已经成为研究人员的主要研究趋势。谐振器与压力敏感膜片在呈现垂直结构之后，振动器与压力敏感膜片之間的频率显著下降，同时能量耦合降低；谐振器与压力敏感膜片在曾线水平结构之后，振动器与压力敏感膜片之间的频率显著提高，同时耦合能量增加。

3.2 降低能耗，简化结构

静电激烈与电容检测方式、静电激烈与压阻检测方式在实际运行过程中，所需要的能耗较高，同时还需要与电路集成，芯体结构十分繁琐，这就需要不断降低静电激烈与电容检测方式、静电激烈与压阻检测方式能耗数量，对芯体结构进一步简化，有效提高检测便捷性，但是需要受到外部磁场的显著。电热激烈与压阻检测方式所具有的芯体结构相对而言较为简单，检测工作容易受到外部环境的影响，能耗较高，温度对检测精确度造册很难过严重影响。

3.3 完善加工及检测手段

MEMS技术在不断完善过程中，需要对加工及检测手段进一步完善，这样能够有效减低硅微机械谐振压力传感器技术难度，对硅微机械谐振压力传感器产品推出具有重要意义。硅微机械谐振压力传感器芯体结构与生产工艺还需要进一步完善，除了传统真空封装硅微机械谐振压力传感器产品之外，对压力传感器制作工艺需要进一步完善创新，逐渐推动硅微机械谐振压力传感器技术向常压封装方向发展。

4 结论

硅微机械谐振压力传感器技术经过30多年发展历程，硅微机械谐振压力传感器取得了十分显著研究成果，同时有关技术所推出的产品在航空航天及工业制造等领域广泛应用，现阶段硅微机械谐振压力传感器主要应用谐振器复合结构与压力敏感膜片。不同类别硅微机械谐振压力传感器产品检测对象不同，但是还需要进一步完善，逐渐对硅微机械谐振压力传感器技术进行推广。

参考文献

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作者单位

1.武汉职业技术学院 湖北省武汉市 430074

2.国网浙江省电力公司丽水供电公司 浙江省丽水市 323000