[发明专利]微机械本体声波谐振器压力传感器

说明书

一种压力传感器包括具有大致平面结构的压电基底和在压电基底的平面结构的边缘固定压电基底的锚固位置。压电基底的平面结构具有与锚固位置相邻的具有第一特征厚度的第一区域，以及在基底的中间区域的具有第二特征厚度的第二区域。第二特征厚度小于第一特征厚度，使得第二区域中的平面结构相对于平面结构的中性轴线发生位移，从而使得在经受弯曲时第二区域具有主要压缩的或主要拉伸的应力。

技术领域

本公开内容总体上涉及用于测量流体(即气体或液体)压力的压力传感器，特别地，涉及采用石英谐振器的压力传感器。

背景技术

压力传感器可用于测量流体的压力。例如，一些传统的压力传感器已经采用市售的本体石英谐振器来制造。石英是一种具有高稳定弹性和低固有损耗的压电晶体。由于这些性能，石英已经广泛应用于精密频率控制应用中，例如电子仪器的定时和计时。

尽管具有非常精确的振荡频率，但石英的谐振频率也非常敏感地受到各种环境干扰如外力、弯曲、压缩、质量负载和加速的影响。谐振频率与其原始值f₀的分数偏差由Δf/f₀给出。当在圆形厚度剪切模式(TSM)的石英谐振器的圆周上沿径向施加力时，发生石英谐振器传感器中的一个频移机制。石英传感器产生与施加的力的幅度成比例的频移。这种现象被定义为力-频效应。

值得注意的是，石英不仅对面内径向力敏感，而且对横向力和塑性弯曲也敏感。因此，可以通过多种方式诱发横向力以便利用石英作为压力传感器。然而，目前使用石英谐振器的压力传感器仅适用于非常高的压力测量，通常在大约一个大气压及以上的压力水平。目前的石英压力传感器也不能在宽压力范围内有效地测量压力。

发明内容

本文所描述的实施方案涉及压力传感器，其使用微机械加工和微制造方法来制造能够在宽的压力范围(例如从一个大气压降到10-⁶托)内提供高的压测量灵敏度的压电谐振器基真空压力传感器。谐振器电极的特定放置使得传感器能够实现高灵敏度并且通过提供背景和环境噪声补偿和降噪来有效地补偿共模信号以改善信噪比。微机械加工的AT切割石英薄板谐振器的弯曲灵敏度用于通过在谐振器上施加差压来精确地感测真空压力。由差压在传感器中产生的横向载荷导致传感器的面外弯曲，从而导致谐振器的频移。

本公开内容的压力传感器的实施方案包括具有大体平面结构和中性轴线的压电基底，平面结构上的上电极和平面结构上的下电极，所述上电极和下电极用于驱动压电基底的谐振并感测压电基底的频率。传感器还包括锚固位置，所述锚固位置将压电基底固定至压电基底的平面结构的边缘处的固定装置。压电基底的平面结构具有与锚固位置相邻的具有第一特征厚度的第一区域，以及在基底的中间区域的具有第二特征厚度的第二区域。第二特征厚度小于第一特征厚度，使得第二区域中的平面结构相对于平面结构的中性轴线发生位移。这确保在经受弯曲时第二区域具有或主要压缩的或主要拉伸的应力。

在其他实施方案中，传感器采用微机械加工技术制造。在一些实施方案中，基底为AT-切割的石英基底。在一些实施方案中，上电极和下电极都由金制成。在一些实施方案中，利用硅橡胶水泥将基底固定至固定装置。在一些实施方案中，第二区域通过干蚀刻工艺形成。在一些实施方案中，第二区域的直径等于或小于1cm，第二区域的特征厚度小于约100μm。在一些实施方案中，所述感测的频率等于或大于100MHz。在一些实施方案中，传感器是MEMS器件。

本公开内容的压力传感器的进一步实施方案包括本体声波谐振器压力传感器，所述传感器包括隔膜。在一些实施方案中，隔膜包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的基底。将第一表面的一部分蚀刻至预选深度。在一些实施方案中，传感器还包括在第一表面上沉积并图案化的第一电极以及在第二表面上沉积并图案化的第二电极。在一些实施方案中，第一和第二电极配置为测量压力传感器的谐振阻抗(at-resonance impedance)特性的变化。