硅微机械谐振压力传感器技术发展

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第４９卷第２０期机械

工

程学报

Ｖｏｌ＿４９Ｎｏ．２０２０１３年１０月

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦ

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｏｃｔ．

２０１３

ＤＯＩ：１０．３９０１，ＪＭ匝．２０１３．２０．００２

硅微机械谐振压力传感器技术发展

苑伟政１，２任森１，２邓进军１，２

乔大勇

１，２

（１．西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室

西安７１００７２：２．西北工业大学陕西省微／纳米系统重点实验室

西安７１００７２）

摘要：硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一，是航空航天、工业过程控制和其他精密测量领域压力测试的最佳选择。系统阐述３０年来国内外硅微机械谐振压力传感器技术的研究成果，简单介绍硅微机械谐振压力传感器的分类及工作原理，针对压力敏感膜片与谐振器复合结构和振动膜结构两种主要的芯体结构形式，详细论述硅微机械谐振压力传感器的研究历史、主要研究机构、国内外发展现状以及最新的研究成果，重点根据不同激励与检测方式对各种硅微机械谐振压力传感器的芯体结构进行深入分析比较。在此基础上，总结归纳不同芯体结构及其激励与检测方式的特点，并对硅微机械谐振压力传感器的未来发展趋势进行展望。关键词：微机械谐振压力传感器谐振器激励检测中图分类号：ＴＰ２１２

ＡＲｅｖｉｅｗｏｆＳｉｌｉｃｏｎ

ＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＲｅｓｏｎａｎｔ

ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒ

ＹＵＡＮ

Ｗｅｉｚｈｅｎ９１，２ＲＥＮＳｅｎｌ，２

ＤＥＮＧ

Ｊｉｎｊｕｎｌ，２

ＱＩＡＯ

Ｄａｙｏｎ９１＇２

（１．Ｋｅｙ

Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ

ｏｆＭｉｃｒｏ／Ｎａｎｏ

ＳｙｓｔｅｍｓｆｏｒＡｅｒｏｓｐａｃｅｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，

ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００７２；

２．ＳｈａａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｃｒｏａｎｄＮａｎｏＥｌｅｃｔｒｏ—ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，

ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００７２）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｌｉｃｏｎｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｒｅｓｏｎａｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｓｅｎｓｏｒ

ｉｓｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎａｅｒｏｓｐａｃｅ，ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ

ｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇａｎｄｏｔｈｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｆｉｅｌｄｓ，ｆｏｒｉｔｓｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｅｘｔｒｅｍｅｌｙｌｏｎｇ—ｔｅｒｍｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｎ

３０

ｙｅａｒｓｏｆｒａｎｇｅｓｉｌｉｃｏｎｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｒｅｓｏｎａｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｓｅｎｓｏｒ

ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ

ｏｎ

ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｖａｒｉｏｕｓ

ｓｅｎｓｏｒ

ｃｈｉｐｓｕｓｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ

ａｎｄ

ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ

ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ

ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ

ａｎｄ

ｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｉｌｉｃｏｎ

ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ

ｒｅｓｏｎａｎｔ

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ｓｅｎｓｏｒａｒｅ

ｉｎＵｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｈｉｓｔｏｒｙ，ｔｈｅ

ｍａｊｏｒ

ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｓｔｕｄｙｓｔａｔｕｓ

ａｎｄ

ｔｈｅｌａｔｅｓｔｒｅｓｅａｒｃｈａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓａｒｅ

ｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｔｗｏｍａｉｎｔｙｐｅｓｏｆ

ｓｅｎｓｏｒ

ｃｈｉｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ

ｄｉａｐｈｒａｇｍａｎｄｒｅｓｏｎａｔｏｒ，ａｎｄ

ｖｉｂｒａｔｉｎｇｄｉａｐｈｒａｇｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｎ

ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ

ａｒｅ

ｍａｄｅｉｎ

ｓｅｎｓｏｒ

ｃｈｉｐｓｆｆｕｃｔｕｒｅｓ，ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ

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ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ．Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ

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ｐｒｏｐｏｓｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ

ＲｅｓｏｎａｎｃｅＰｒｅｓｓｕｒｅ

ｓｅｎｓｏｒ

ＲｅｓｏｎａｔｏｒＥｘｃｉｔａｔｉｏｎＤｅｔｅｃｔｉｏｎ

测物体的固有频率间接测量压力，为准数字信号输

０前言

出，适用于远距离传输，信号采集和处理方便。由

于工作于机械谐振状态，因此其精度主要受传感器

基于微机电系统（Ｍｉｃｒｏ—ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ机械特性的影响，信噪比高。抗干扰能力强，其精ｓｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ）技术的硅微机械谐振压力传感器是度和长期稳定性一般优于硅压阻压力传感器和电容目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一，压力传感器一个数量级【Ｉ也Ｊ。与振动筒压力传感器和

非常适合对精度和长期稳定性要求严格的航空航石英谐振压力传感器相比，硅微机械谐振压力传感

天、工业过程控制和其他精密测量场合。它通过检

器还具有体积小、重量轻、功耗低、结构紧凑、温度响应快、抗冲击、易于集成化和利于批量生产等

２０１３０５２７收到初稿，２０１３０８１５收到修改稿

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