微机械谐振梁压力传感器研究

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1、摘要摘要秘结构谐振式压力传感器是通过检测其机械谐振器谐振频率的变化来实现压力测量，特点是尺寸小，精度高，稳定性好，易与数字电路接口，具有广阔的。静电、光热及电磁是几种常用的激励方式，但芯片制作及检测相对较应鸭辱难J本论文介绍采用电热激励的谐振梁压力传感器的设计、计算机模拟、研制及测试。提出了基于多孔硅牺牲层技术的利用LPCVD生长的低应力厚的富硅氮化硅作为谐振梁的压力传感器结构设计。为了提高灵敏度，还提出了一种半岛结构。应用有限元分析软件，对硅梁及氮化硅梁的多种结构，进行了计算机模拟，分析了热激励谐振器的特性以及压力敏感特性。芯片利用

2、半导体IC工艺和MEMS工艺制作，采用一种减小封装应力的结构，完成压力传感器的真空密封及封装。利用锁相环微弱信号检测技术自行研制建立了开环频率特性测试系统及闭环自激测试系统。(A}li量了多种结构的硅梁及氮化硅梁谐振频率与激励条件，外加压力以及环境温度等的关系少’成功研制出硅梁及氮化硅梁谐振式压力传感器初样器、(I振器空气及真空中的品质因素Q值分别是一2000和~40000，两种梁Q值差别不大。压力满刻度量程l00kPa-600kP灵敏度5-200Hz/kPa。新型半岛结构灵敏度比普通方槽结构高一个数量验结果与理论分析及计算机模拟符合

3、较好关键词:谐振式压力传感I/1丝MF}圣:M*vl低应力，化硅iV}热激ytl}半岛结构杯ResearchonMicromachinedResonantBeamPressureSensorsChenDeyong(PhysicalElectronics)DirectedbyProfCuiDafuAbstractAmicrostructureresonantpressuresensormeasuresappliedpressurebydetectingchangeofresonantfrequencyofitsmechanicalres

4、onator.Thesensorischaracterizedbyitsverysmallsize,highaccuracy,excellentstabilityandconvenientinterfacingwithdigitalelectronics,showingbroadapplicationprospects.Electrostatic,electromagneticandopticalthermalexcitationshavebeenusedsuccessfullyinresonantpressuresensors,ho

5、wever,thefabricationanddetectionofthesesensorsarerelativelydifficulttorealize.Thispaperpresentsthedesign,modeling,fabricationandtestofelectrothermallyexcitedresonantbeampressuresensors.AdesignofusingLPCVDsilicon-richsiliconnitrideoflowresidualstressastheresonantbeamispr

6、oposedbasedontechnologyofsacrificialporoussiliconandanewtypepeninsulastructureisalsoproposedforhighpressuresensitivity.UsingcommercialFEAsoftware,computersimulationiscarriedonthecharacteristicsoftheresonatorandthepressuresensitivityforseveralsilicon/siliconnitridebeamst

7、ructures.ResonantpressuresensorsarefabricatedbyICprocessandMEMStechnologyandbondedtoastressisolatingmechanicalstructureandsealedintoanevacuatedpackage.Bothanopen-loopandaclose-loopmeasuringsystemareestablishedfordetectingvibrationoftheresonantbeamsandtheresponseoftheres

8、onantfrequencyatdifferentappliedpressureloads,basedonspeciallockinamplificationtechnology.Therelationshipsofth