[发明专利]一种实时测量水压的MEMS器件及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种实时测量水压的MEMS器件及其测量方法，涉及微电子机械系统制造、海洋测量应用场合，特别适用于海洋水深快速变化场合下实时水压测量。

背景技术

目前，海洋应用受到了广泛关注，在海洋水深快速变化的场合下，例如潜水器的快速下潜和上浮，水深快速变化时的实时水压是一个重要的环境参数，它能够实时反映被测目标所处的水深位置，也可以为被测目标下潜和上浮的速度提供间接的监控参数。

然而，传统的水深测量设备一般是压力计之类的水压测量设备，虽然传统的水压测量设备对于水压的测量精度较高，但是响应速度严重滞后，不适合海洋水深快速变化场合下的实时水压测量；所以提供一种能够对水压变化快速响应的测量器件，是能够较好地适用于水深快速变化的场合，更可为海水中快速下潜和上浮的潜水类设备提供重要的环境参数和工作参数。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种实时测量水压的MEMS器件及其测量方法，特别适用于海洋水深快速变化场合。

本发明所要解决的技术问题是提供结构简单、操作方便、安全可靠、实用性强的实时测量水压的MEMS器件，不仅测量精度高，而且响应速度快，能够实现快速、高效、准确的测量；还提供简单易行、高速反应的MEMS器件实时测量水压的测量方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种实时测量水压的MEMS器件，包括绝缘衬底、保护硅帽、双端固支谐振器、焊盘和底电极；所述保护硅帽覆盖在绝缘衬底上端面、与绝缘衬底之间形成封闭型的容置内腔；所述双端固支谐振器、焊盘和底电极均容纳于容置内腔中。

其中，所述底电极与绝缘衬底上端面相连；所述双端固支谐振器包括架空横梁、分别连接于架空横梁两端呈对称分布的台阶锚；所述台阶锚底边的下端面均与绝缘衬底上端面相连，形成双端固支谐振器架设在底电极正上方并与底电极之间存在间距空隙；所述焊盘固设在台阶锚底边的上端面；所述焊盘和底电极通过连接引线与外界锁相环电路相连。

本发明进一步设置为：所述绝缘衬底采用硅基材料制成，所述绝缘衬底的上端面为氮化硅绝缘层。

本发明进一步设置为：所述双端固支谐振器采用多晶硅材料由表面微加工制成。

本发明进一步设置为：所述焊盘采用金属材料由表面微加工制成。

本发明进一步设置为：所述金属材料为铝或金。

本发明进一步设置为：所述保护硅帽与绝缘衬底上端面通过密封键合材料密封。

本发明还提供一种实时测量水压的MEMS器件的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：驱动双端固支谐振器谐振；

将MEMS器件中的焊盘和底电极通过连接引线与外界的锁相环电路相连，由锁相环电路给双端固支谐振器提供与谐振器谐振频率相同的周期性驱动信号；

步骤2：绝缘衬底受水压发生形变，使双端固支谐振器的谐振频率发生改变；

在海洋环境中，MEMS器件中绝缘衬底的底面直接和海水接触，海水压力会引起绝缘衬底的底面发生形变，绝缘衬底的形变传递到双端固支谐振器上，造成双端固支谐振器的台阶锚发生形变，使得双端固支谐振器的架空横梁产生应力变化，从而使双端固支谐振器的谐振频率发生改变；

步骤3：由锁相环电路测量发生改变的双端固支谐振器的谐振频率；

双端固支谐振器的谐振频率发生改变后，锁相环电路会对其响应，因锁相环电路是负反馈电路，锁相环电路会自动改变其施加给双端固支谐振器的频率直到符合已改变的谐振频率值；

由锁相环电路跟踪获取已改变的双端固支谐振器的谐振频率，通过谐振频率和水压关系的数据映射表，得出绝缘衬底所受海水的对应压力大小；

步骤4：依次重复步骤2和步骤3；

当MEMS器件所处海水水深发生变化时，受海水压力的变化影响，如步骤2所述绝缘衬底的形变随之改变，使双端固支谐振器的谐振频率随着发生改变；再如步骤3所述，可由锁相环电路的频率获取已改变的双端固支谐振器的谐振频率，通过谐振频率和水压关系的数据映射表，得到绝缘衬底所受海水的对应压力大小。

其中，所述数据映射表存储于外置控制芯片中，可进行数据的调取和换算。