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硅諧振式壓力傳感

發布時間:2008/5/26 0:00:00 訪問次數:905

        

    

    

     目前精度最高、穩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0.01%fs,溫度穩定性優于10-6/時間穩定性高于10-6/年。近年來,隨著傳感器技術的發展,分析研究的結果表明,硅和水晶都是具有優良彈性的材料,它們的溫度系數也大體相同,因此,研究人員已經利用硅來研制諧振式壓力感器,并已有產品問世。 由于硅不具有壓電性,因此,不如水晶那樣容易實現諧 振的激勵接收,只有解決硅諧 振激勵和接收方法,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,其一是靜電激勵法,即利用電磁激勵或熱電激勵;其二是壓電激勵法,即利用壓電薄膜、鐵電薄膜和壓電陶瓷片激勵。 硅諧振式壓力傳感器具有如下特點: 1、把膜片(起應力集中作用)和諧 振器制作在同一塊單晶硅上,因此,不會在它的連接處產生遲滯、蠕變、漂移,可以獲得穩定性好、重復性佳的壓力傳感器; 2、它的體積小、重量輕、動態特性好、熱容量小,可以實現大批量生產和降低成本; 3、由于硅諧振器置于真空室內,所以不受被測流體密度的影響,機械q值非常高(高達5萬),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成一個正反饋振蕩系統,當此系統受到壓力作用時,其固有的振蕩頻率發生變化,因此,根據其頻率的變化就可以測量出壓力的大小。 硅諧振式壓力傳感器的結構基本有兩種,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在硅片上加工一諧振膜片,然后在膜上制作激勵器(擴散電阻器)。當交變的電流在激勵器中流過時,產生熱應變,激勵諧振膜片,利用另一個擴散電阻器檢測其諧 振頻率的變化。還有一種諧 振阻器檢測其諧振頻率的變化。還有一種諧 振膜片式壓力傳感器,只不過是利用壓電反饋系統維持膜片振動,代替電磁激勵器而已,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置固定電極,而在其上方再加工可動電極和諧 振器,硅膜和諧振器分別利用各向異性腐蝕技術和外延技術制作。當壓力作用到膜片上時,膜片發生彎曲形變,通過支柱給諧振器施加了軸向力,從而使其諧振頻率發生變化。在這種情況下,激勵諧振器的方法有兩種,一是在電極間施加靜電方法;二是利用激光產生熱應變方法。 硅諧振式壓力傳感器是一種新型的結構型壓力傳感器,它比擴散硅式之類的物性型壓力傳感器具有更高的分辨率、靈活度和重復性。今后,隨著硅微機械加工技術和外延技術的發展,將會使硅諧振式壓力傳感器的性能得到更大的提高,其應用領域也將會更加拓寬。

    

    

        

    

    

     目前精度最高、穩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0.01%fs,溫度穩定性優于10-6/時間穩定性高于10-6/年。近年來,隨著傳感器技術的發展,分析研究的結果表明,硅和水晶都是具有優良彈性的材料,它們的溫度系數也大體相同,因此,研究人員已經利用硅來研制諧振式壓力感器,并已有產品問世。 由于硅不具有壓電性,因此,不如水晶那樣容易實現諧 振的激勵接收,只有解決硅諧 振激勵和接收方法,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,其一是靜電激勵法,即利用電磁激勵或熱電激勵;其二是壓電激勵法,即利用壓電薄膜、鐵電薄膜和壓電陶瓷片激勵。 硅諧振式壓力傳感器具有如下特點: 1、把膜片(起應力集中作用)和諧 振器制作在同一塊單晶硅上,因此,不會在它的連接處產生遲滯、蠕變、漂移,可以獲得穩定性好、重復性佳的壓力傳感器; 2、它的體積小、重量輕、動態特性好、熱容量小,可以實現大批量生產和降低成本; 3、由于硅諧振器置于真空室內,所以不受被測流體密度的影響,機械q值非常高(高達5萬),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成一個正反饋振蕩系統,當此系統受到壓力作用時,其固有的振蕩頻率發生變化,因此,根據其頻率的變化就可以測量出壓力的大小。 硅諧振式壓力傳感器的結構基本有兩種,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在硅片上加工一諧振膜片,然后在膜上制作激勵器(擴散電阻器)。當交變的電流在激勵器中流過時,產生熱應變,激勵諧振膜片,利用另一個擴散電阻器檢測其諧 振頻率的變化。還有一種諧 振阻器檢測其諧振頻率的變化。還有一種諧 振膜片式壓力傳感器,只不過是利用壓電反饋系統維持膜片振動,代替電磁激勵器而已,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置固定電極,而在其上方再加工可動電極和諧 振器,硅膜和諧振器分別利用各向異性腐蝕技術和外延技術制作。當壓力作用到膜片上時,膜片發生彎曲形變,通過支柱給諧振器施加了軸向力,從而使其諧振頻率發生變化。在這種情況下,激勵諧振器的方法有兩種,一是在電極間施加靜電方法;二是利用激光產生熱應變方法。 硅諧振式壓力傳感器是一種新型的結構型壓力傳感器,它比擴散硅式之類的物性型壓力傳感器具有更高的分辨率、靈活度和重復性。今后,隨著硅微機械加工技術和外延技術的發展,將會使硅諧振式壓力傳感器的性能得到更大的提高,其應用領域也將會更加拓寬。

    

    

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