發布日期：2022-05-11 點擊率：55
目前精度最高、穩定性最好的壓力傳感器是水晶諧振式壓力傳感器。其精度已超過0.01%fs，溫度穩定性優于10-6/時間穩定性高于10-6/年。近年來，隨著傳感器技術的發展，分析研究的結果表明，硅和水晶都是具有優良彈性的材料，它們的溫度系數也大體相同，因此，研究人員已經利用硅來研制諧振式壓力感器，并已有產品問世。 由于硅不具有壓電性，因此，不如水晶那樣容易實現諧 振的激勵接收，只有解決硅諧 振激勵和接收方法，才可以研制出硅諧 振式壓力傳感器。目前解決的方法有兩種，其一是靜電激勵法，即利用電磁激勵或熱電激勵；其二是壓電激勵法，即利用壓電薄膜、鐵電薄膜和壓電陶瓷片激勵。 硅諧振式壓力傳感器具有如下特點： 1、把膜片（起應力集中作用）和諧 振器制作在同一塊單晶硅上，因此，不會在它的連接處產生遲滯、蠕變、漂移，可以獲得穩定性好、重復性佳的壓力傳感器； 2、它的體積小、重量輕、動態特性好、熱容量小，可以實現大批量生產和降低成本； 3、由于硅諧振器置于真空室內，所以不受被測流體密度的影響，機械q值非常高（高達5萬），從而使傳感器的分辨率很高。其工作原理是利用硅諧 振器與選頻放大器構成一個正反饋振蕩系統，當此系統受到壓力作用時，其固有的振蕩頻率發生變化，因此，根據其頻率的變化就可以測量出壓力的大小。 硅諧振式壓力傳感器的結構基本有兩種，即一是平面型硅諧 振式壓力傳感器。它是利用各向異性腐蝕技術在硅片上加工一諧振膜片，然后在膜上制作激勵器（擴散電阻器）。當交變的電流在激勵器中流過時，產生熱應變，激勵諧振膜片，利用另一個擴散電阻器檢測其諧 振頻率的變化。還有一種諧 振阻器檢測其諧振頻率的變化。還有一種諧 振膜片式壓力傳感器，只不過是利用壓電反饋系統維持膜片振動，代替電磁激勵器而已，其它的部分基本相同。二是立體型諧 振式膜片壓力傳感器。它是在單晶硅膜上設置固定電極，而在其上方再加工可動電極和諧 振器，硅膜和諧振器分別利用各向異性腐蝕技術和外延技術制作。當壓力作用到膜片上時，膜片發生彎曲形變，通過支柱給諧振器施加了軸向力，從而使其諧振頻率發生變化。在這種情況下，激勵諧振器的方法有兩種，一是在電極間施加靜電方法；二是利用激光產生熱應變方法。 硅諧振式壓力傳感器是一種新型的結構型壓力傳感器，它比擴散硅式之類的物性型壓力傳感器具有更高的分辨率、靈活度和重復性。今后，隨著硅微機械加工技術和外延技術的發展，將會使硅諧振式壓力傳感器的性能得到更大的提高，其應用領域也將會更加拓寬。 
諧振式傳感器具有穩定性好，精度高、與微機接口方便等特點而倍受重視。我們采用微機械加工技術研制了微諧振器和諧振式壓力傳感器。其特點是用單晶硅梁做諧振器、梁厚僅數微米，用靜電激勵。其振動頻率取決于器件設計、材料性能和梁的軸向應力，并受外界壓力調制。研究工作包括器件設計；激振與拾振技術；關鍵工藝包括硅健合，薄梁制備技術和封裝技術，并對樣品進行了分析測試 。研究表明，用兩端固支梁理論分析微諧振梁作為一階近似是可行的。單晶梁的工藝難度大，但工藝上仍可行。傳感器固有頻率穩定；一般在一百千赫以上，空氣中品質因數達數百；靈敏度高，當壓力電O升到O·1MPa時，頻移達十幾千赫，是一種有前途的新型傳感器。
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微小型、低功耗、快響應且環境適應能力強、直接輸出頻率量的高性能諧振式硅微結構傳感器，是當今傳感器發展的研究重點。但由于缺少針對諧振式硅微結構傳感器機理的深入理論研究及其相應的測試、分析、評估的有效手段，我國與國際先進水平差距很大，尚不能生產較高性能的諧振式硅微結構傳感器。為突破國外技術封鎖，本項目開展諧振式硅微結構傳感器綜合測試分析儀器的研制，主要工作為： 1. 儀器總體設計方面，提出了綜合測試分析儀器的概念。其核心是將被測對象（傳感器）的不同層次的測試分析（基本電氣特性、開環特性、閉環特性、非線性特性）結合起來、將測試儀器與分析工具結合起來、將測試分析與智能化的輔助設計結合起來，測試儀器經過重構可以成為傳感器原型，或與壓力校驗儀、高低溫箱連接構成完整測試系統。 2. 信號處理方法方面，提出了快速互相關檢測方法。將傳統的互相關檢測和鎖相放大器原理結合，并改進處理算法，明顯提高了信噪比和測量速度的綜合指標，為傳感器閉環實現及原型驗證提供技術基礎。 3. 儀器校準方法方面，提出了基于線性可控電阻的諧振式傳感器模擬器的概念。利用電路模擬諧振式傳感器的激勵-諧振-拾振特性，為該類傳感器外部性能的整體測試、校準和檢定提供技術基礎。 4. 信號源技術方面，提出了新型的基于線性插值的直接數字合成方案，利用階梯波和鋸齒波結合，明顯降低了采樣率和功耗、改善波形質量，為精密、低噪聲儀器的實現提供技術基礎。 本項目在Sensors and Actuators 等國際期刊和學術會議發表論文25篇，其中SCI刊源8篇，授權國家發明專利3項，受理6項；培養研究生19名。相關成果獲2011年度教育部科技進步一等獎，樊尚春教授為帶頭人申報的“航空航天先進傳感技術”獲2012年度教育部創新團隊。 項目研究成果為諧振式硅微結構傳感器性能測試方法的研究，提供了重要基礎理論和關鍵技術支持，在研制諧振式硅微結構傳感器中發揮了重要作用，將突破國外在諧振式微結構傳感器方面的技術封鎖，提升我國自主創新研究實力。
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高性能的應變傳感器——硅基諧振式應變傳感器
工欲善其事，必先利其器。在全球化的今天，專利已不僅僅是創新的一種保護手段，它已成為商業戰場中的利器。麥姆斯咨詢傾情打造MEMS、傳感器以及物聯網領域的專利運營平臺，整合全產業鏈知識產權資源，積極推動知識產權保護與有效利用。應變傳感器又稱應變計（straingauge）是一種常用的傳感器，它利用了彈性材料（金屬、合金、半導體或者金屬陶瓷）的壓阻特性來檢測被測結構的正應變與剪切應變，它廣泛應用于結構健康監測中，覆蓋的應用領域包括土木工程、機械、航天、醫療以及可穿戴系統等。相比于傳統的應變片，硅基諧振式應變傳感器具有靈敏度高、溫漂小、準數字化輸出、抗干擾能力強等特點，是一類高性能的應變傳感器。硅基諧振式應變傳感器一般采用雙端固支音叉結構（DoubleEndedTuningFork，DETF）的諧振式傳感器。通過將兩根雙端固支梁并聯，并使兩根梁的振動反相，形成音叉結構，來獲得較高的品質因數（Q值）。目前，硅基諧振式應變傳感器的主要問題在于，硅微機械結構受空氣阻尼的影響較大，在常壓下難以獲得較高的Q值，必須采用真空封裝，而目前較成熟的微機械真空封裝技術一般需要超過400度的高溫工藝或者需要使用低滲透率的封裝材料并結合吸氣劑，這兩類工藝與硅基諧振式應變傳感結構的兼容性較差。日本橫
河電機株式會社研制的高精度諧振式壓力傳感器中采用了一種H型諧振式應變
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