1.本发明属于mems微传感器领域，具体涉及一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器。
背景技术：2.微压力传感器在真空设备、医疗设备以及高速飞行器等领域具有广泛应用。目前成熟的微压传感器主要采用压阻效应和可变电容原理，具有结构简单、低成本等优势，精度在1％fs～0.1％fs左右，可满足一般民用和医疗需求。然而在航空航天、工业控制等对精度和可靠性要求较高的领域，一般采用谐振式压力传感器。谐振式压力传感器普遍采用梁膜复合一体化结构，通过膜片变形将应力传递到谐振器上从而改变谐振频率，通过建立频率与压力的线性关系，实现压力的测量。因此，膜片的刚度是影响传感器灵敏度的关键因素。为实现微压测量，中国科学院王军波团队于2021年在论文“amicromachined resonant micro-pressure sensor”中通过减小膜片厚度实现应力放大来提高传感器的灵敏度，并实现了10kpa量程的压力测量。然而，受限于谐振器的自身的尺寸效应(厚度、面积等结构极限)，当进一步减小膜片厚度时，将导致膜片的刚度小于谐振器的刚度从而无法实现进一步的应力放大，因此成为限制微压传感器灵敏度提升的瓶颈问题，难以获得高灵敏度和高分辨力等性能。此外，减小膜片厚度提升灵敏度的技术路线还带来了传感器在大气环境下的过载保护和应力非线性的问题，额外的过载保护装置给传感器的加工和制造带来了较大的挑战。
3.近年，基于弱耦合谐振器的模态局域化效应已在质量传感器、加速度计中广泛应用。中国发明专利cn201910893549提出了一种基于石英谐振梁和硅膜片复合的弱耦合谐振系统微压传感器，利用第一谐振梁感受应力并施加刚度扰动，而另一谐振梁不感受应力，两者构成模态局域化效应。在一定程度上解决了传感器灵敏度和抗过载的问题。但第一谐振梁仅受负应力作用，频率随压力单向变化，输出幅值仅同向变化，一定程度限制了电路的有效输出范围。因此，仍需采用新压力敏感结构和刚度扰动机制来实现传感器灵敏度进一步的放大，从而满足更小量程的微压传感器性能需求。
技术实现要素：4.为解决上述技术问题，本发明提供一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，采用的技术方案如下：
5.一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，包括硅盖板和soi层；所述硅盖板包括一个位于其中间的空腔；所述soi层由器件层、埋氧层和衬底层组成，用于制作压力敏感单元；所述器件层中设置结构与尺寸参数相同的边谐振梁和中谐振梁，二者平行但不共线地放置于位于衬底层的压力敏感膜中间，所述边谐振梁位于负应力为主的区域，所述中谐振梁位于正应力为主的区域，施加压力时两根谐振梁分别产生压缩形变和拉伸形变，两个锚点分别固定所述边谐振梁和中谐振梁且均贯穿器件层和埋氧层；一根细梁连接
在所述边谐振梁和中谐振梁交叠处；
6.所述边谐振梁的左右两侧分别设有边谐振梁上驱动电极、边谐振梁下驱动电极，所述中谐振梁的左右两侧分别设有中谐振梁上驱动电极、中谐振梁下驱动电极，用于激励边谐振梁和中谐振梁；所述边谐振梁上驱动电极、边谐振梁下驱动电极和中谐振梁上驱动电极、中谐振梁下驱动电极分别与边谐振梁上驱动电极焊盘、边谐振梁下驱动电极焊盘、中谐振梁上驱动电极焊盘、中谐振梁下驱动电极焊盘相连，所述边谐振梁上驱动电极与中谐振梁下驱动电极的激励电压的交流分量相位差为180
°
或0
°
以使得所述边谐振梁和中谐振梁处于同向或反向振动工作状态；所述边谐振梁具有边谐振梁压阻结构，与边谐振梁压阻结构焊盘相连，所述中谐振梁具有中谐振梁压阻结构，与中谐振梁压阻结构焊盘相连，用于检测振动幅度。
7.进一步地，所述一根细梁距离两个锚点的距离相等且为可变量，所述边谐振梁、中谐振梁以及细梁的长度为可变量，所述边谐振梁和中谐振梁径向延长线关于压力敏感膜的水平中心线对称。
8.进一步地，所述传感器为硅材料，所述硅材料包括soi、单晶硅和多晶硅一种或几种的组合。
9.进一步地，所述压力敏感膜的膜厚大于边谐振梁和中谐振梁的高度的2倍以上。
10.进一步地，所述硅盖板和soi层利用金硅共晶键合或硅-硅键合实现真空封装，并在所述空腔上表面沉积吸气剂吸收封装过程中的残余气体和材料释放的气体，为所述边谐振梁和中谐振梁提供真空环境。
11.进一步地，所述边谐振梁和中谐振梁为双端固支单梁、h型梁或双端音叉梁。
12.进一步地，所述压力敏感膜为正方形、圆形或矩形。
13.有益效果：
14.(1)本发明的两根谐振梁分别位于压力敏感膜的正应力主导区和负应力主导区形成差分刚度扰动，在弱耦合作用下二者的振动幅度一增一减，相对振动幅度同增或同减的情况灵敏度至少可增加一倍。
15.(2)本发明可在压力敏感膜厚度大于谐振梁高度的情况下获得高灵敏特性，从根本上解决了大气压力过载和应力非线性问题，由谐振器自身尺寸效应带来的一系列问题得到解决。
16.(3)本发明的两根谐振梁构成的差分结构在一定程度上降低了温度系数，增加了抗干扰能力。
17.(4)本发明采用双端固支单梁等单一结构梁做谐振梁，单根细梁做耦合结构，结构简单，可靠性高。
18.(5)本发明采用平板式静电致动器激励谐振梁，结构简单，可靠性高，能提供初始刚度调节功能，驱动力大，电极排布方式使得可通过激励电压交流量相位差控制同向振动或反向振动。
19.(6)本发明采用压阻检测，结构简单，容易获得高信噪比检测信号。
20.(7)本发明的传感器整体采用纯硅材料，制作简单，成本低，完全兼容mems工艺。
附图说明
21.图1为本发明的差分刚度扰动模态局域化的工作原理图；
22.图2为本发明的差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器的三维示意图；其中，100-硅盖板；110-空腔；300-soi层；310-器件层；320-埋氧层；330-衬底层；340-压力敏感膜；400-边谐振梁；500-中谐振梁；600-细梁；
23.图3为本发明的soi层的正视图；其中，310-器件层；340-压力敏感膜；350-锚点；370-硅导线；390-电气隔离槽；400-边谐振梁；411-边谐振梁上驱动电极；412-边谐振梁下驱动电极；416-边谐振梁上驱动电极焊盘；417-边谐振梁下驱动电极焊盘；420-边谐振梁压阻结构；426-边谐振梁压阻结构焊盘；500-中谐振梁；511-中谐振梁上驱动电极；512-中谐振梁下驱动电极；516-中谐振梁上驱动电极焊盘；517-中谐振梁下驱动电极焊盘；520-中谐振梁压阻结构；526-中谐振梁压阻结构焊盘；600-细梁；
24.图4为本发明的差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器底视图；其中，100-硅盖板；310-器件层；320-埋氧层；330-衬底层；331-第一引线孔；332-第二引线孔；334-第三引线孔；335-第四引线孔；333-第五引线孔；336-第六引线孔；337-第七引线孔；340-压力敏感膜。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
26.本发明提出了一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其为可最大限度提高灵敏度的微压传感器。所述传感器为梁膜一体化结构，由soi(绝缘体上硅，silicon on insulator)芯体与硅盖板两部分组成，二者通过金硅共晶键合实现真空封装，获得高品质因数，有利于谐振器的稳定振动。谐振器采用两根双端固支的单根谐振梁，两谐振梁平行放置，分别位于正应力为主的区域和负应力为主的区域，在长度方向上有一定的交叠，交叠的部分通过细梁连接来实现弱耦合。通过两个平行板式静电致动器驱动两根谐振梁工作在同向振动工作模式。如图1所示，δk1和δk2分别代表处于负应力主导区域的谐振梁和正应力主导区域谐振梁的有效刚度变化量，在待测压力的作用下，压力敏感膜产生正、负应力主导区，两根谐振梁分别发生拉伸和压缩形变，有效刚度因此产生δk1和δk2的变化，且δk2为正增量，δk1为负增量，进而两根谐振梁的谐振频率分别增加和降低，同时，因振动幅度与有效刚度呈负相关，故两根谐振梁的振动幅度一减一增，构成差分变化，二者的振动幅值比可变化数倍，相比振幅同向变化灵敏度可至少增加一倍。因此，其可在更厚的(数倍于谐振器截面高度)压力敏感膜上获得数倍甚至数十倍于谐振式传感器的灵敏度，很好的解决了抗过载和应力非线性问题。通过两个谐振梁上的压阻结构进行各自的振动幅度的检测，相比电容、压电、电磁等方式其制作简单，更容易获得高信噪比信号，除此之外，为平衡线性范围和灵敏度需求，本发明选用了以两个谐振器的振动幅值比即压阻信号比值作为输出量。因以上各结构皆采用简化设计，工艺简单，因此同时具有高可靠性的特性。
27.如图2和3所示，本发明的差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器分为两
个部分：硅盖板100和soi层300。硅盖板100包括一个方形的空腔110，位于硅盖板100中间，其为真空腔室，为压力测量提供参考压力，并为谐振梁提供高真空低阻尼环境。soi层300由器件层310、埋氧层320和衬底层330三层组成。soi层300用于制作压力敏感单元，包括边谐振梁400和中谐振梁500、一根细梁600、一个压力敏感膜340、两个锚点350、电气隔离槽390和边谐振梁上驱动电极焊盘416、边谐振梁下驱动电极焊盘417、边谐振梁压阻结构焊盘426、中谐振梁上驱动电极焊盘516、中谐振梁下驱动电极焊盘517、中谐振梁压阻结构焊盘526。
28.具有相同结构与尺寸参数的边谐振梁400和中谐振梁500位于器件层310，两者由器件层310制作而成，二者平行但不共线的放置于压力敏感膜340中间，边谐振梁400位于负应力主导区，中谐振梁500位于正应力主导区，两个锚点350用于固定两者，两个锚点350贯穿器件层310和埋氧层320，从而将边谐振梁400和中谐振梁500分别固定在压力敏感膜340上，压力敏感膜340的膜厚大于边谐振梁400和中谐振梁500的高度2倍以上，以此解决抗大气压力过载和应力非线性问题。一根细梁600连接在边谐振梁400和中谐振梁500交叠处，距离相邻两个锚点350的距离相等且为可变量，边谐振梁400和中谐振梁500以及一根细梁600的长度为可变量，边谐振梁400和中谐振梁500径向延长线关于压力敏感膜340的水平中心线对称。硅盖板100上的空腔110外边框大于压力敏感膜340边框35微米，图形中心的投影彼此重合。硅盖板100和soi层300利用金硅共晶键合实现真空封装，并在空腔110上表面沉积吸气剂吸收封装过程中残余气体和材料释放的气体，为边谐振梁400和中谐振梁500提供真空环境。
29.如图3所示，所述边谐振梁400和中谐振梁500具有相同的物理结构与尺寸，在边谐振梁400和中谐振梁中谐振梁500的左右两侧分别设有边谐振梁上驱动电极411、边谐振梁下驱动电极412、中谐振梁上驱动电极511、中谐振梁下驱动电极512，用于激励边谐振梁400和中谐振梁500，通过硅导线370与对应的边谐振梁上驱动电极焊盘416、边谐振梁下驱动电极焊盘417、中谐振梁上驱动电极焊盘516、中谐振梁下驱动电极焊盘517相连，边谐振梁上驱动电极411与中谐振梁下驱动电极512激励电压的交流分量相位差为180
°
，边谐振梁400和中谐振梁500处于同向振动工作状态。边谐振梁400具有边谐振梁压阻结构420，与边谐振梁压阻结构焊盘426相连，中谐振梁500具有中谐振梁压阻结构520，与中谐振梁压阻结构焊盘526相连，用于检测振动幅度。
30.如图4所示，所述压力敏感膜340位于衬底层330，二者中心投影重合。共10个引线孔，截面为圆形。第一引线孔331、第二引线孔332、第三引线孔334、第四引线孔335分别对应边谐振梁上驱动电极焊盘416、边谐振梁下驱动电极焊盘417、中谐振梁上驱动电极焊盘516、中谐振梁下驱动电极焊盘517，第五引线孔333、第六引线孔336分别对应边谐振梁压阻结构焊盘426、中谐振梁压阻结构焊盘526，第七引线孔337用于器件层310接地。优选的，压力敏感膜340的结构包括但不限于方形、圆形、矩形等规则形状的单一敏感膜，压力敏感膜340为圆形或正多边形时谐振梁方向不做限制。
31.优选的，所述传感器为硅材料，所述硅材料包括soi、单晶硅和多晶硅一种或几种的组合。
32.优选的，边谐振梁和中谐振梁包括但不限于双端固支单梁、h型梁和双端音叉梁等单一结构谐振梁。
33.优选的，边谐振梁和中谐振梁的平板式静电致动器可用lateral梳齿电容、transverse梳齿电容等其他类似结构替代。
34.优选的，边谐振梁和中谐振梁不局限于同向振动工作模态，通过两根谐振梁的4个驱动电极的不同组合，可实现两谐振梁的反向振动。
35.优选的，soi层和硅盖板的真空封装方式包括但不局限于金硅共晶键合、硅-硅键合等其他直接键合方法。
36.优选的，soi层可使用硅硅键合等技术形成的等效构造芯体替代。
37.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：包括硅盖板和soi层；所述硅盖板包括一个位于其中间的空腔；所述soi层由器件层、埋氧层和衬底层组成，用于制作压力敏感单元；所述器件层中设置结构与尺寸参数相同的边谐振梁和中谐振梁，二者平行但不共线地放置于位于衬底层的压力敏感膜中间，所述边谐振梁位于负应力为主的区域，所述中谐振梁位于正应力为主的区域，施加压力时两根谐振梁分别产生压缩形变和拉伸形变，两个锚点分别固定所述边谐振梁和中谐振梁且均贯穿器件层和埋氧层；一根细梁连接在所述边谐振梁和中谐振梁交叠处；所述边谐振梁的左右两侧分别设有边谐振梁上驱动电极、边谐振梁下驱动电极，所述中谐振梁的左右两侧分别设有中谐振梁上驱动电极、中谐振梁下驱动电，用于激励边谐振梁和中谐振梁；所述边谐振梁上驱动电极、边谐振梁下驱动电极和中谐振梁上驱动电极、中谐振梁下驱动电极分别与边谐振梁上驱动电极焊盘、边谐振梁下驱动电极焊盘、中谐振梁上驱动电极焊盘、中谐振梁下驱动电极焊盘相连，所述边谐振梁上驱动电极与中谐振梁下驱动电极的激励电压的交流分量相位差为180
°
或0
°
以使得所述边谐振梁和中谐振梁处于同向或反向振动工作状态；所述边谐振梁具有边谐振梁压阻结构，与边谐振梁压阻结构焊盘相连，所述中谐振梁具有中谐振梁压阻结构，与中谐振梁压阻结构焊盘相连，用于检测振动幅度。2.根据权利要求1所述的一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：所述一根细梁距离两个锚点的距离相等且为可变量，所述边谐振梁、中谐振梁以及一根细梁的长度为可变量，所述边谐振梁和中谐振梁径向延长线关于压力敏感膜的水平中心线对称。3.根据权利要求1所述的一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：所述传感器为硅材料，所述硅材料包括soi、单晶硅和多晶硅一种或几种的组合。4.根据权利要求1所述的一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：所述压力敏感膜的膜厚大于边谐振梁和中谐振梁的高度的2倍以上。5.根据权利要求1所述的一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：所述边谐振梁和中谐振梁为双端固支单梁、h型梁或双端音叉梁。6.根据权利要求1所述的一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：所述压力敏感膜为正方形、圆形或矩形。7.根据权利要求1所述的一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：所述硅盖板和soi层利用金硅共晶键合或硅-硅键合实现真空封装，并在所述空腔上表面沉积吸气剂吸收封装过程中的残余气体和材料释放的气体，为所述边谐振梁和中谐振梁提供真空环境。
技术总结本发明提出一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏微压传感器。所述传感器通过平板式静电致动器驱动，为获得高信噪比信号采用压阻检测振动幅度，为更好的平衡线性范围和灵敏度将谐振梁的振动幅值比作为最终的输出信号。所述传感器为纯硅结构，可最大程度降低传感器的温度系数，有助于提高精度。两根谐振梁分别处于压力敏感膜的正应力和负应力主导区，以产生差分刚度扰动，二者通过一根细梁实现弱耦合，在待测压力作用下产生模态局域化效应，振动幅值比可发生数倍甚至数十倍变化。两根弱耦合谐振梁由于刚度变化方向相反致使振动幅度一增一减，灵敏度相比振动幅度同向变化的情况可提高至少一倍。本发明由于采用了简化结构，因此兼具高可靠性。具高可靠性。具高可靠性。
技术研发人员：陈德勇 谢波 秦佳新 鲁毓岚 尉洁 王军波
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2022.06.30
技术公布日：2022/11/1
