传感技术中的电磁激励微谐振式传感器的设计与制作

0  引  言 　　谐振式压力传感器的基本机理是利用压力敏感元件感受到压力，使与之相关联的谐振器的谐振频率发生变化，通过测量谐振器频率的变化来检测压力。与通常的诸如压阻式和电容式压力传感器相比，谐振式压力传感器体积小、功耗低；以频率为最后输出量的特点使其具有更高的精度和稳定性，容易和大规模集成电路兼容。 　　近几年来随着微机械加工技术的进步以及微弱信号检测技术的进步，基于MEMS工艺基础的谐振式压力传感器的研究和制作越来越受到重视。本文介绍了一种具有差分检测结构的谐振式压力传感器，谐振器采用电磁激励-电磁拾振的激励方式，采用闭环自激振荡的检测方式来检测压力。 　　1  工作原理 　　传 【传感技术中的电磁激励微谐振式传感器设计与制作】 微谐振式传感器是一种先进的压力检测设备，其基本原理是利用压力变化导致谐振器频率的变动，通过精确测量频率变化来评估压力值。相较于传统的压阻式和电容式传感器，微谐振式传感器在体积、功耗和精度方面具有显著优势。它们的高频输出特性增强了稳定性和与集成电路的兼容性。 近年来，得益于微机械加工技术（MEMS）和微弱信号检测技术的发展，这类传感器的研制愈发重要。文中提到的传感器采用了独特的差分检测结构，谐振器由电磁激励驱动并利用电磁拾振方式检测，同时结合闭环自激振荡技术，提高了压力检测的灵敏度和抗干扰能力。 传感器的构造包括单晶硅压力膜和单晶硅梁谐振器，两者通过键合技术集成。谐振器置于真空环境中，压力膜下侧与待测压力源接触。压力作用于膜时，膜变形，影响谐振梁的振动频率。通过检测这一频率变化，能准确测量压力。传感器的差分检测机制利用上、中、下三组谐振梁，减少温度漂移对频率稳定性的影响。 传感器的工作过程是：外加磁场作用于谐振梁，通过在激振电极间施加周期性电压，梁产生电流并受洛伦兹力作用振动。振动通过中间桥梁传递到拾振梁，拾振梁切割磁力线产生感应电动势，其频率与谐振梁一致。当谐振梁达到共振状态，拾振电极间的电动势达到最大，由此可测定压力。 制作过程中，运用体硅微机械加工技术，先分别制造谐振器和压力感应膜，然后通过键合技术将两者结合，形成三维结构的芯片，最后经真空封装。封装好的传感器一端保持真空，另一端与压力源相连。 测试阶段，采用压力传感器、锁相放大器和信号源等组成测试系统，通过频率扫描和振幅、相位检测，评估谐振器频率特性。实验结果显示，传感器在空气和高真空环境下的谐振频率及品质因数Q值均表现出优良性能。同时，对封装后的传感器进行了压力特性测试，得到了良好的线性度和灵敏度。 总结来说，电磁激励微谐振式传感器是基于谐振频率变化的压力检测技术，采用先进的微机械加工和信号处理技术，实现了小型化、低功耗和高精度的压力测量。其在封装工艺和性能测试上的优化，确保了传感器在不同环境下的稳定性和可靠性，为各种应用领域提供了高效的压力检测解决方案。