[发明专利]微机电谐振结构、谐振器及压力传感器

说明书

本公开提供了一种微机电谐振结构、谐振器及压力传感器。该谐振结构包括：环形谐振主梁；环形谐振辅梁，设置于环形谐振主梁的外侧；2N个第一连接块，匀设于环形谐振主梁和环形谐振辅梁之间的环形空间内，对于每一个第一连接块，其内侧刚性连接至环形谐振主梁；2N个第一调频块，匀设于环形谐振主梁和环形谐振辅梁之间的环形空间内，每一个第一调频块设置于两个第一连接块之间，其内侧和外侧分别刚性连接至环形谐振主梁和环形谐振辅梁；N为正整数，2N个第一连接块和2N个第一调频块关于环形谐振主梁和环形谐振辅梁共同的轴对称。本公开中，谐振结构的振动为动平衡状态且完全耦合。

技术领域

本公开属于传感器技术领域，特别涉及一种微机电谐振结构、谐振器及压力传感器。

背景技术

微机电谐振式压力传感器通过将被测压力按照一定规律转换为机械结构谐振频率以实现压力检测。传感器输出包含谐振频率特性的周期信号，无需模数转换，该周期信号通过比较电路处理后即可实现传感信号数字化，因此其抗电子干扰能力很强。随着传感器向微型化、数字化、智能化、网络化方向发展，微机电谐振式压力传感器因其易于数字集成、结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低、可批量生产等众多优点，在压力检测行业备受关注。

石英和硅基微机电谐振式压力传感器是目前检测精度优于万分之一的高端压力传感器，其高精度主要得益于这两种单晶材料几乎无机械疲劳和蠕变的优秀机械特性。相比于石英材料，单晶硅具有加工手段多样、器件体积更小、制造成本更低等优点。但是硅材料不具有压电性，需借助其他方法实现硅谐振器的振动激励和检测。硅基微机械谐振式压力传感器激励振动方法有多种，包括静电、电磁、压电、电热、光热等；同样，利用电容、压电、电磁、压阻等可以对振动信号进行检测。硅基微机电谐振式压力传感器的总体发展目标是高谐振Q值、廉价批量制造、更高灵敏度、低功耗和易于系统集成。

标志性的硅基微机电谐振式压力传感器为GE传感与检测公司公布的RPS8000系列。此种传感器已正式定型对外出售。该传感器采用SOI片实现谐振层的厚度精确控制；采用深反应离子刻蚀技术制备动平衡和低阻抗谐振结构；采用硅硅键合技术代替有机胶水、焊料或者玻璃浆料粘接，传感器表现出良好的热稳定性和压力迟滞性。该传感器虽然以动平衡技术获取较高Q值，但是框架式结构难以使两组对称梁系的振动达到完全耦合的效果，而且复杂的可动结构使Q值热弹损耗相对较大；该传感器采用的矩形压力敏感膜片受压形变规律复杂，谐振层上获得的应力均匀性相对较差；该传感器采用的三层硅硅真空键合工艺提高了制造工艺难度。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种微机电谐振结构、谐振器及压力传感器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种微机电谐振结构，包括：环形谐振主梁221；环形谐振辅梁222，设置于环形谐振主梁221的外侧，与环形谐振主梁221同轴并隔开预设距离；2N个第一连接块223，匀设于环形谐振主梁221和环形谐振辅梁222之间的环形空间内，对于每一个第一连接块，其内侧刚性连接至环形谐振主梁；2N个第一调频块224，匀设于环形谐振主梁221和环形谐振辅梁222之间的环形空间内，每一个第一调频块224设置于两个第一连接块223之间，其内侧刚性连接至环形谐振主梁，其外侧刚性连接至环形谐振辅梁222；其中，N为正整数，2N个第一连接块223和2N个第一调频块224关于环形谐振主梁221和环形谐振辅梁222共同的轴对称。

在本公开的一些实施例中，对于每一个第一连接块，其外侧悬空或通过柔性弹簧梁226连接至环形谐振辅梁222。

在本公开的一些实施例中，还包括：2N个第二调频块225，匀设于环形谐振主梁221的内侧，与外侧的第一调频块224对应设置，其外侧刚性连接至环形谐振主梁。