硅 諧振式 傳感器：硅諧振式壓力傳感
目前精度最高、穩(wěn)定性最好的壓力傳感器是水晶諧振式壓力傳感器。其精度已超過(guò)0.01%fs，溫度穩(wěn)定性優(yōu)于10-6/時(shí)間穩(wěn)定性高于10-6/年。近年來(lái)，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，分析研究的結(jié)果表明，硅和水晶都是具有優(yōu)良彈性的材料，它們的溫度系數(shù)也大體相同，因此，研究人員已經(jīng)利用硅來(lái)研制諧振式壓力感器，并已有產(chǎn)品問(wèn)世。 由于硅不具有壓電性，因此，不如水晶那樣容易實(shí)現(xiàn)諧 振的激勵(lì)接收，只有解決硅諧 振激勵(lì)和接收方法，才可以研制出硅諧 振式壓力傳感器。目前解決的方法有兩種，其一是靜電激勵(lì)法，即利用電磁激勵(lì)或熱電激勵(lì)；其二是壓電激勵(lì)法，即利用壓電薄膜、鐵電薄膜和壓電陶瓷片激勵(lì)。 硅諧振式壓力傳感器具有如下特點(diǎn)： 1、把膜片（起應(yīng)力集中作用）和諧 振器制作在同一塊單晶硅上，因此，不會(huì)在它的連接處產(chǎn)生遲滯、蠕變、漂移，可以獲得穩(wěn)定性好、重復(fù)性佳的壓力傳感器； 2、它的體積小、重量輕、動(dòng)態(tài)特性好、熱容量小，可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)和降低成本； 3、由于硅諧振器置于真空室內(nèi)，所以不受被測(cè)流體密度的影響，機(jī)械q值非常高（高達(dá)5萬(wàn)），從而使傳感器的分辨率很高。其工作原理是利用硅諧 振器與選頻放大器構(gòu)成一個(gè)正反饋振蕩系統(tǒng)，當(dāng)此系統(tǒng)受到壓力作用時(shí)，其固有的振蕩頻率發(fā)生變化，因此，根據(jù)其頻率的變化就可以測(cè)量出壓力的大小。 硅諧振式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)基本有兩種，即一是平面型硅諧 振式壓力傳感器。它是利用各向異性腐蝕技術(shù)在硅片上加工一諧振膜片，然后在膜上制作激勵(lì)器（擴(kuò)散電阻器）。當(dāng)交變的電流在激勵(lì)器中流過(guò)時(shí)，產(chǎn)生熱應(yīng)變，激勵(lì)諧振膜片，利用另一個(gè)擴(kuò)散電阻器檢測(cè)其諧 振頻率的變化。還有一種諧 振阻器檢測(cè)其諧振頻率的變化。還有一種諧 振膜片式壓力傳感器，只不過(guò)是利用壓電反饋系統(tǒng)維持膜片振動(dòng)，代替電磁激勵(lì)器而已，其它的部分基本相同。二是立體型諧 振式膜片壓力傳感器。它是在單晶硅膜上設(shè)置固定電極，而在其上方再加工可動(dòng)電極和諧 振器，硅膜和諧振器分別利用各向異性腐蝕技術(shù)和外延技術(shù)制作。當(dāng)壓力作用到膜片上時(shí)，膜片發(fā)生彎曲形變，通過(guò)支柱給諧振器施加了軸向力，從而使其諧振頻率發(fā)生變化。在這種情況下，激勵(lì)諧振器的方法有兩種，一是在電極間施加靜電方法；二是利用激光產(chǎn)生熱應(yīng)變方法。 硅諧振式壓力傳感器是一種新型的結(jié)構(gòu)型壓力傳感器，它比擴(kuò)散硅式之類的物性型壓力傳感器具有更高的分辨率、靈活度和重復(fù)性。今后，隨著硅微機(jī)械加工技術(shù)和外延技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)使硅諧振式壓力傳感器的性能得到更大的提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也將會(huì)更加拓寬。 
硅 諧振式 傳感器：硅諧振式壓力傳感器的研究
諧振式傳感器具有穩(wěn)定性好，精度高、與微機(jī)接口方便等特點(diǎn)而倍受重視。我們采用微機(jī)械加工技術(shù)研制了微諧振器和諧振式壓力傳感器。其特點(diǎn)是用單晶硅梁做諧振器、梁厚僅數(shù)微米，用靜電激勵(lì)。其振動(dòng)頻率取決于器件設(shè)計(jì)、材料性能和梁的軸向應(yīng)力，并受外界壓力調(diào)制。研究工作包括器件設(shè)計(jì)；激振與拾振技術(shù)；關(guān)鍵工藝包括硅健合，薄梁制備技術(shù)和封裝技術(shù)，并對(duì)樣品進(jìn)行了分析測(cè)試 。研究表明，用兩端固支梁理論分析微諧振梁作為一階近似是可行的。單晶梁的工藝難度大，但工藝上仍可行。傳感器固有頻率穩(wěn)定；一般在一百千赫以上，空氣中品質(zhì)因數(shù)達(dá)數(shù)百；靈敏度高，當(dāng)壓力電O升到O·1MPa時(shí)，頻移達(dá)十幾千赫，是一種有前途的新型傳感器。
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硅 諧振式 傳感器：諧振式硅微結(jié)構(gòu)傳感器綜合測(cè)試分析儀器
微小型、低功耗、快響應(yīng)且環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、直接輸出頻率量的高性能諧振式硅微結(jié)構(gòu)傳感器，是當(dāng)今傳感器發(fā)展的研究重點(diǎn)。但由于缺少針對(duì)諧振式硅微結(jié)構(gòu)傳感器機(jī)理的深入理論研究及其相應(yīng)的測(cè)試、分析、評(píng)估的有效手段，我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平差距很大，尚不能生產(chǎn)較高性能的諧振式硅微結(jié)構(gòu)傳感器。為突破國(guó)外技術(shù)封鎖，本項(xiàng)目開展諧振式硅微結(jié)構(gòu)傳感器綜合測(cè)試分析儀器的研制，主要工作為： 1. 儀器總體設(shè)計(jì)方面，提出了綜合測(cè)試分析儀器的概念。其核心是將被測(cè)對(duì)象（傳感器）的不同層次的測(cè)試分析（基本電氣特性、開環(huán)特性、閉環(huán)特性、非線性特性）結(jié)合起來(lái)、將測(cè)試儀器與分析工具結(jié)合起來(lái)、將測(cè)試分析與智能化的輔助設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，測(cè)試儀器經(jīng)過(guò)重構(gòu)可以成為傳感器原型，或與壓力校驗(yàn)儀、高低溫箱連接構(gòu)成完整測(cè)試系統(tǒng)。 2. 信號(hào)處理方法方面，提出了快速互相關(guān)檢測(cè)方法。將傳統(tǒng)的互相關(guān)檢測(cè)和鎖相放大器原理結(jié)合，并改進(jìn)處理算法，明顯提高了信噪比和測(cè)量速度的綜合指標(biāo)，為傳感器閉環(huán)實(shí)現(xiàn)及原型驗(yàn)證提供技術(shù)基礎(chǔ)。 3. 儀器校準(zhǔn)方法方面，提出了基于線性可控電阻的諧振式傳感器模擬器的概念。利用電路模擬諧振式傳感器的激勵(lì)-諧振-拾振特性，為該類傳感器外部性能的整體測(cè)試、校準(zhǔn)和檢定提供技術(shù)基礎(chǔ)。 4. 信號(hào)源技術(shù)方面，提出了新型的基于線性插值的直接數(shù)字合成方案，利用階梯波和鋸齒波結(jié)合，明顯降低了采樣率和功耗、改善波形質(zhì)量，為精密、低噪聲儀器的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。 本項(xiàng)目在Sensors and Actuators 等國(guó)際期刊和學(xué)術(shù)會(huì)議發(fā)表論文25篇，其中SCI刊源8篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng)，受理6項(xiàng)；培養(yǎng)研究生19名。相關(guān)成果獲2011年度教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，樊尚春教授為帶頭人申報(bào)的“航空航天先進(jìn)傳感技術(shù)”獲2012年度教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。 項(xiàng)目研究成果為諧振式硅微結(jié)構(gòu)傳感器性能測(cè)試方法的研究，提供了重要基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)支持，在研制諧振式硅微結(jié)構(gòu)傳感器中發(fā)揮了重要作用，將突破國(guó)外在諧振式微結(jié)構(gòu)傳感器方面的技術(shù)封鎖，提升我國(guó)自主創(chuàng)新研究實(shí)力。
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硅 諧振式 傳感器：高性能的應(yīng)變傳感器——硅基諧振式應(yīng)變傳感器
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高性能的應(yīng)變傳感器——硅基諧振式應(yīng)變傳感器
工欲善其事，必先利其器。在全球化的今天，專利已不僅僅是創(chuàng)新的一種保護(hù)手段，它已成為商業(yè)戰(zhàn)場(chǎng)中的利器。麥姆斯咨詢傾情打造MEMS、傳感器以及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的專利運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，整合全產(chǎn)業(yè)鏈知識(shí)產(chǎn)權(quán)資源，積極推動(dòng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)與有效利用。應(yīng)變傳感器又稱應(yīng)變計(jì)（straingauge）是一種常用的傳感器，它利用了彈性材料（金屬、合金、半導(dǎo)體或者金屬陶瓷）的壓阻特性來(lái)檢測(cè)被測(cè)結(jié)構(gòu)的正應(yīng)變與剪切應(yīng)變，它廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，覆蓋的應(yīng)用領(lǐng)域包括土木工程、機(jī)械、航天、醫(yī)療以及可穿戴系統(tǒng)等。相比于傳統(tǒng)的應(yīng)變片，硅基諧振式應(yīng)變傳感器具有靈敏度高、溫漂小、準(zhǔn)數(shù)字化輸出、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是一類高性能的應(yīng)變傳感器。硅基諧振式應(yīng)變傳感器一般采用雙端固支音叉結(jié)構(gòu)（DoubleEndedTuningFork，DETF）的諧振式傳感器。通過(guò)將兩根雙端固支梁并聯(lián)，并使兩根梁的振動(dòng)反相，形成音叉結(jié)構(gòu)，來(lái)獲得較高的品質(zhì)因數(shù)（Q值）。目前，硅基諧振式應(yīng)變傳感器的主要問(wèn)題在于，硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)受空氣阻尼的影響較大，在常壓下難以獲得較高的Q值，必須采用真空封裝，而目前較成熟的微機(jī)械真空封裝技術(shù)一般需要超過(guò)400度的高溫工藝或者需要使用低滲透率的封裝材料并結(jié)合吸氣劑，這兩類工藝與硅基諧振式應(yīng)變傳感結(jié)構(gòu)的兼容性較差。日本橫
河電機(jī)株式會(huì)社研制的高精度諧振式壓力傳感器中采用了一種H型諧振式應(yīng)變
