CN117928811A - 一种双模式谐振压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双模式谐振压力传感器，使得同一个MEMS敏感芯片仅通过简单的工作方式的切换即可实现中低真空至大气压力的全量程压力测量。在大于低真空压力段通过多个(2个及以上)单体谐振器或一个单体谐振器搭配热敏部件构成的谐振式压力传感器实现测量，传感器在此部分将具备高精度输出特性，且可在宽温区稳定工作。在中低真空压力段，多个单体谐振器(不少于2个)耦合在一起，且通过调整耦合刚度使耦合系统工作在弱耦合状态，此时传感器产生模态局域化现象，借此可获得高灵敏度特性，实现低真空压力的高灵敏度测量。
Description
技术领域
本发明属于MEMS压力传感器设计领域，尤其涉及一种双模式谐振压力传感器。
背景技术
传统的谐振式压力传感器受其应变机制的影响仅适用于低真空范围(大于0.5kPa)以上的压力测量，虽具有超高精度特性，但无法测量中低真空范围压力。而已有的全量程压力传感器，即测量大气压至中低空或高真空范围压力，普遍基于热粘滞阻尼原理或与薄膜、电离真空计组合成复合真空计实现此目标，通常精度较低(不优于10％读数精度)，且复合真空计组成复杂，目前鲜有基于一个传感器芯片实现高灵敏度的低压压力测量和高精度的常压压力测量的研究。
肖定邦等在引证专利202010525596“一种全量程真空计及其测试方法”首次提出了通过一个传感器芯片实现大气压至高真空压力的测量。其利用谐振器的多阶模态，并结合多种谐振器激励-响应关系实现不同压力等级的测量，在中低真空范围其单纯的依靠阻尼相关量——品质因数来表征环境压力，已有很多研究表明此工作方式测试复杂、线性度低、精度低，且仅能通过开环激励的方式实现测量，不利于器件的小型化和稳定运行。
已有的全量程真空压力测量方案多采用两个分体的传感器测量并通过仪表整合显示，增加了系统的复杂度，不利于系统集成。目前测量低真空压力以上范围多采用压阻或阻尼式传感部件测量，因此精度低、灵敏度有限。除此之外，已有的方案仅能工作在25℃附近，未见有能够适应更低的温度(5℃以下)和更高的温度(50℃以上)的研究或发明，一定程度上限制了传感器的应用。
发明内容
本发明利用同一个MEMS敏感芯片仅通过简单的工作方式的切换即可实现中低真空至大气压力的测量。在中低真空以上压力段通过多个(2个及以上)单体谐振器或一个单体谐振器搭配热敏部件构成的谐振式压力传感器实现，传感器在此部分将具备高精度输出特性，且可在上述宽温区稳定工作。在中低真空压力段，多个谐振器(不少于2个)耦合在一起，且通过调整耦合刚度使耦合系统工作在弱耦合状态，此时传感器产生模态局域化现象，已有研究表明借此可获得高灵敏度(或高分辨力)特性，实现低真空压力的高灵敏度测量。
本发明提供一种双模式谐振压力传感器，所述双模式谐振压力传感器包括谐振器组，谐振器组包括至少2个单体谐振器，其中，
在低真空以上压力段即P≥P0，谐振器组的单体谐振器不耦合，单体谐振器将分别敏感于压力，各自产生谐振频率输出量，通过同时解算某些单体谐振器的谐振频率或解算其中一个单体谐振器频率以及热敏部件的输出值，得到该温度下待测压力值；
在中低真空范围内即P<P0，谐振器组的单体谐振器弱耦合，使谐振器组产生模态局域化现象，此时通过解算各单体谐振器的幅值信息与热敏部件输出值得到该温度下待测压力的测量值。
进一步，所述谐振器组为基于静电力实现的静电耦合的2自由度耦合谐振器；两个单体谐振器通过锚点固定在压力传感器的压力膜片上，工作时通过电极实现各自的激励和拾振，基于静电力的耦合结构通过两个耦合电极与两个单体谐振器实现软连接，通过调整静电力强弱、耦合结构锚点的数量和位置调整传感器的灵敏度，此时两个单体谐振器结构和尺寸完全相同。
进一步，在中低真空范围内即P<P0，谐振器组工作在弱耦合状态时，通过其中至少两个单体谐振器幅值信息R1和R2与热敏部件输出值V在温度T下待测压力的测量值P：
P(T)＝g2(g1(R1,R2),V)
其中，g1(·)表示对幅值信息R1和R2的预处理函数，g2(·)为以幅值相关信息g1(R1，R2)和V为自变量表示待测压力P和温度T的函数关系；
在低真空以上压力段(P≥P0)，通过同时解算至少两个单体谐振器的谐振频率f1和f2或解算其中一个单体谐振器频率fi以及热敏部件的输出值V，可得到温度T下待测压力值P为：
P(T)＝h1(f1，f2)或P(T)＝h2(fi，V)
其中，h1(·)和h2(·)表示以频率fi和V为自变量表示待测压力P和温度T的函数关系。
本发明具有以下有益技术效果：
中低真空压力段传感器工作在弱耦合模式，具备高灵敏度特性；低真空以上压力段传感器工作在传统谐振模式，具备高精度特性。可在更低温(小于5℃)至更高温(大于50℃)范围内工作。通过一个敏感芯片实现涵盖中低真空压力至大气压在内的宽范围压力测量且中低真空压力部分传感器具有超高灵敏度特征，低真空以上压力段传感器可高精度测量压力，性能可与传统谐振式压力传感器比拟。
附图说明
图1为压力传感器芯片的截面图；
图2为基于机械结构实现的机械耦合的2自由度耦合谐振器；
图3为基于静电力实现的静电耦合的2自由度耦合谐振器；
图4为传感器P≥P0时依据一个单体谐振器和测温部件解算温度的方案的工作流程图；
图5为传感器P≥P0时依据多个(至少2个)单体谐振器解算温度的方案的工作流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
如图1所示为举例所用的双模式谐振压力传感器芯片的截面图。双模式谐振压力传感器芯片共有4层结构：盖板层101、谐振器层102、衬底层103和隔离层104。盖板层101上分布着数个电极引线孔101.1，用于将谐振器组102.1的信号引出，盖板层101上具有一个热敏部件101.2，用于测量环境温度辅助解算任意温度下压力测量值，实现传感器的宽温区工作。谐振器组102.1位于谐振器层102，并经由锚点与衬底层103的压力膜片103.1相接，谐振器组102.1包括至少2个单体谐振器(如双端固支梁谐振器)，且各单体谐振器对压力的敏感程度需确保不同，隔离层104上有一通气孔104.1用于将待测压力引入压力膜片103.1。
图2为基于机械结构实现的机械耦合的2自由度耦合谐振器，其是图1中谐振器组102.1的一种具体实现方式。耦合谐振器由两个结构相同的单体谐振器201.1和201.2以及耦合结构205组成。单体谐振器201.1和201.2通过锚点208固定在压力膜片103.1上，每个单体谐振器201.1和201.2分别具有调谐电极202和206。工作时通过电极203和207实现各自的激励和拾振。当两个单体谐振器201.1和201.2的谐振频率一致时二者将通过耦合结构205实现耦合，为使传感器在设定压力范围内工作于弱耦合模式，需调整固支锚点205.1的位置或数量使耦合结构205的弯曲刚度远小于单体谐振器201.1和单体谐振器201.2的刚度。当二者频率不一致时二者将不再工作于耦合模式，而是等价于两个单独的谐振器。此处谐振器201.1和201.2的长度或宽度稍有不同，使二者在压力P0处谐振频率有不小于50Hz的频率差。
在中低真空范围内(P<P0)，若实际中两个单体谐振器201.1和201.2谐振频率不一致无法耦合，可通过调谐电极202和206施加静电力使二者实现弱耦合，此时传感器的灵敏度与耦合结构205的耦合刚度呈反比例关系，通过降低耦合结构205的耦合刚度即弱耦合将使传感器具备高灵敏度敏感压力的能力，此时通过下述公式解算谐振器201.1和201.2的幅值信息R1和R2与热敏部件101.2输出值V得到温度T下待测压力的测量值P：
P(T)＝g2(g1(R1,R2),V)
其中，g1(·)表示对幅值信息R1和R2的预处理函数，g2(·)为以幅值相关信息g1(R1，R2)和V为自变量表示待测压力P和温度T的函数关系，其具体形式取决于具体的传感器。
在低真空以上压力段(P≥P0)，悬空调谐电极202和206的电压，如此两个单体谐振器201.1和201.2因基频和灵敏度不一致在量程内将始终无法耦合，单体谐振器将分别敏感压力各自产生频率输出量，即与传统的谐振式压力传感器工作状态一致，通过同时解算两个单体谐振器的谐振频率f1和f2或解算其中一个单体谐振器频率fi以及热敏部件101.2的输出值V，可得到温度T下待测压力值P为：
P(T)＝h1(f1,f2)
或
P(T)＝h2(fi,V)
其中，h1(·)和h2(·)表示以频率fi和V为自变量表示待测压力P和温度T的函数关系，其具体形式取决于具体的传感器，据此可实现宽温度范围(温度下限低于5℃，上限高于50℃)的压力值高精度输出。
图3为基于静电力实现的静电耦合的2自由度耦合谐振器。此为图2的一个等效方案，其是图1中谐振器102.1的另一具体实现方式。单体谐振器301.1和301.2通过锚点308固定在压力膜片103.1上，工作时通过电极303和307实现各自的激励和拾振。耦合结构305通过两个耦合电极305.2与单体谐振器301.1和301.2软连接，此时单体谐振器301.1和301.2结构和尺寸完全相同。测量中低真空压力时(P<P0)，在耦合电极305.2施加电压使两个单体谐振器通过静电力与耦合结构305实现软连接，通过此电压或锚点305.1位置和数量可控制软连接的强弱，再通过调整调谐电极302和306电压即可实现两个单体谐振器的弱耦合，电极304为悬空电极，仅为了与耦合电极305.2构成对称结构，工作在模态局域化诱导的高灵敏度模式。当测量低真空以上压力段时(P≥P0)，调整耦合电极305.2的电压使耦合电极305.2与两个单体谐振器电势差为零，此时两个单体谐振器将工作在传统谐振压力传感器模式。
图4为传感器P≥P0时依据一个单体谐振器和测温部件解算温度的方案的工作流程图。在开机后传感器工作于传统谐振压力传感器状态并通过测温部件测量温度产生输出V，若压力值P≥P0则传感器继续工作于传统谐振敏感模式并输出压力值P；若压力值P<P0则自动调整图2、图3中调谐电极202或206、调谐电极302或306的电压使传感器转为工作于弱耦合谐振模式并依据幅值信息R1、R2和温度信息V解算温度T时的待测压力P并输出压力值P，如此往复循环实现传感器在全量程压力范围内压力的测量。
图5为传感器P≥P0时依据多个(至少2个)单体谐振器解算温度的方案的工作流程图。在开机后传感器工作于传统谐振压力传感器状态，若压力值P≥P0则传感器继续工作于传统谐振敏感模式，通过多个单体谐振器的频率信息融合解算环境温度T和待测压力P并输出压力值P；若压力值P<P0则自动调整图2、图3中调谐电极202或206、调谐电极302或306的电压使传感器转为工作于弱耦合谐振模式并依据幅值信息R1、R2和温度信息V解算温度T时的待测压力P并输出压力值P，如此往复循环实现传感器在全量程压力范围内压力的测量。
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。
Claims (3)
1.一种双模式谐振压力传感器，其特征在于，所述双模式谐振压力传感器包括谐振器组，谐振器组包括至少2个单体谐振器，其中，
在低真空以上压力段即P≥P0，谐振器组的单体谐振器不耦合，单体谐振器将分别敏感于压力，各自产生谐振频率输出量，通过同时解算某些单体谐振器的谐振频率或解算其中一个单体谐振器频率以及热敏部件的输出值，得到该温度下待测压力值；
在中低真空范围内即P<P0，谐振器组的单体谐振器弱耦合，使谐振器组产生模态局域化现象，此时通过解算各单体谐振器的幅值信息与热敏部件输出值得到该温度下待测压力的测量值。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述谐振器组为基于静电力实现的静电耦合的2自由度耦合谐振器；两个单体谐振器通过锚点固定在压力传感器的压力膜片上，工作时通过电极实现各自的激励和拾振，基于静电力的耦合结构通过两个耦合电极与两个单体谐振器实现软连接，通过调整静电力强弱、耦合结构锚点的数量和位置调整传感器的灵敏度，此时两个单体谐振器结构和尺寸完全相同。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，在中低真空范围内即P<P0，弱耦合时，通过其中至少两个单体谐振器幅值信息R1和R2与热敏部件输出值V解算在温度T下待测压力的测量值P：
P(T)＝g2(g1(R1,R2),V)
其中，g1(·)表示对幅值信息R1和R2的预处理函数，g2(·)为以幅值相关信息g1(R1，R2)和V为自变量表示待测压力P和温度T的函数关系；
在低真空以上压力段(P≥P0)，通过同时解算谐振器组中至少两个单体谐振器的谐振频率f1和f2或解算其中一个单体谐振器频率fi以及热敏部件的输出值V，可得到温度T下待测压力值P为：
P(T)＝h1(f1，f2)或P(T)＝h2(fi，V)
其中，h1(·)和h2(·)表示以频率f1、f2和V为自变量来表示待测压力P和温度T的函数关系。
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| CN119469538A (zh) * | 2024-11-11 | 2025-02-18 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于弱耦合谐振器的增敏式压力传感器 |
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|---|---|---|---|---|
| CN119469538A (zh) * | 2024-11-11 | 2025-02-18 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于弱耦合谐振器的增敏式压力传感器 |
| CN119469538B (zh) * | 2024-11-11 | 2025-07-04 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于弱耦合谐振器的增敏式压力传感器 |
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