硅谐振式压力传感器工作原理
硅谐振式压力传感器工作原理
硅谐振式压力传感器是一种常用的压力测量装置，利用硅片的微小变形来测量压力的变化。
本文将详细介绍硅谐振式压力传感器的工作原理。
硅谐振式压力传感器的工作原理基于硅片的压阻效应和谐振频率的变化关系。
硅片是一种具有压阻效应的材料，即当外力施加在硅片上时，硅片的电阻值会发生变化。
利用这个特性，硅谐振式压力传感器可以将外界压力转化为硅片的变形，从而通过测量硅片的电阻变化来得到压力的信息。
硅谐振式压力传感器通常由两个硅片组成，一个硅片作为感应器，另一个硅片作为参考器。
这两个硅片通过微弯曲悬臂梁相连接，形成一个谐振结构。
当外界压力作用在感应器上时，感应器的硅片会发生微小的变形，导致谐振结构的谐振频率发生变化。
为了测量谐振频率的变化，硅谐振式压力传感器通常采用电桥的测量方法。
电桥由四个电阻组成，其中两个电阻与感应器的硅片相连，另外两个电阻与参考器的硅片相连。
当谐振频率发生变化时，感应器和参考器的电阻值也会发生变化，从而引起电桥的不平衡。
通过测量电桥的不平衡信号，可以得到压力传感器的输出信号。
硅谐振式压力传感器的优点是具有高精度、高灵敏度和宽测量范围。
由于硅片的微小变形能够被高精度的电桥测量出来，所以硅谐振式
压力传感器的测量精度可以达到很高。
同时，硅谐振式压力传感器的灵敏度也很高，可以测量微小的压力变化。
此外，硅谐振式压力传感器的测量范围也很广，可以覆盖从几帕到几兆帕的压力范围。
然而，硅谐振式压力传感器也存在一些局限性。
首先，由于硅片的变形受到温度的影响，所以硅谐振式压力传感器的测量结果会受到温度的影响。
其次，硅谐振式压力传感器对于过载和震动等外界干扰较为敏感，需要进行一定的防护措施。
此外，硅谐振式压力传感器的制造成本较高，所以在一些应用场景中可能不太适用。
硅谐振式压力传感器利用硅片的微小变形来测量压力的变化。
通过感应器和参考器的谐振结构以及电桥的测量方法，可以实现对压力的精确测量。
尽管硅谐振式压力传感器存在一些局限性，但其高精度、高灵敏度和宽测量范围使其在许多领域得到广泛应用。
压力传感器原理【详解】
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一．压力传感器原理一些常用传感器原理及其应用：1、应变片压力传感器原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。
下面我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。
电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件.它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。
电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。
金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种.通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化.这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,一般这种应变片都组成应变电桥,并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。
金属电阻应变片的内部结构1、应变片压力传感器原理如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。
根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。
而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差.一般均为几十欧至几十千欧左右。
谐振式传感器.
19
图8－7 间歇激励式电路原理图 20
图8－8 振弦式谐振传感器转换电路 a) 电路原理框图
b)单稳态触发器
c)f-V转换电路 21
二、闭环式转换电路 这种电路也称作连续激励方式，它是如图8-1所示的自激振 荡闭环正反馈系统。为使传感器稳定工作，在设计和选择 各环节的传递函数和参数时，应保证振子在激振力作用下 能由起振到做等幅振荡，其频率即为振子谐振频率。 在振子结构尺寸参数已确定，以及激振、拾振元件类型已 定的情况下，放大环节设计应满足闭环正反馈系统的幅值 及相位条件，即在起振和稳定振动时，系统开环传递函数 的幅频与相频特性应满足：幅频特性A( )≥1；相频特性 y( )=2np (n=0、1、2…)。这样，放大环节必须设计成要 求的非线性特性，其输入输出特性如图8-9所示。当输入信 号Ui小于Uic时，放大环节的倍数是一个常数；而当Ui大 于Uic时，放大环节处于饱和状态，输入增加而输出不变。 连续激励方式根据激励环节的不同又可分为电流法、电磁 法、电荷法三种。
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谐振式传感器的几种类型
图8－2 机械振子的基本类型
5
第二节 特性和设计要点
一、振弦式谐振传感器特性 对于图8-2 a所示的振弦式传感器，当振弦受张力T作用时， 其等效刚度发生变化，振弦的谐振频率f为 (8-2)
式中 l----振弦的线密度； l----振弦的有效振动长度。 当弦的张力增加T时，由式(8-2)可得弦的振动频率f为
图8－3 差动式振弦传感器原理
通过对式(8-2)两边进行平方和求导，可 得单根振弦测压力时的灵敏度k为 (8-5)
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MEMS压力传感器原理及应用详解
MEMS压力传感器原理及应用详解目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感器。
硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。
惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。
其电原理如图1所示。
硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。
图1 惠斯顿电桥电原理图2 应变片电桥的光刻版本MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01%~0.03%FS。
硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。
应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电阻应变片电桥电路。
当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，产生电桥输出与压力成正比的电压信号。
图4是封装如IC的硅压阻式压力传感器实物照片。
MEMS硅压阻式压力传感器图3 硅压阻式压力传感器结构图4 硅压阻式压力传感器实物MEMS电容式压力传感器电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状，上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移，改变了上下二根横隔栅的间距，也就改变了板间电容量的大小，即△压力=△电容量。
电容式压力传感器实物如图。
图5 电容式压力传感器结构图6 电容式压力传感器实物MEMS压力传感器的应用MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS（轮胎压力监测系统）、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器（TMAP）、柴油机共轨压力传感器;消费电子，如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器;工业电子，如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。
谐振式传感器
第五章 谐振式传感器
一 概述 二 谐振式传感器的理论基础 三 振动筒压力传感器 四 振动膜式传感器 五 振动弦式传感器 六 振动梁式传感器 七 硅微结构谐振式传感器
二、谐振式传感器的理论基础
1 基本结构 2 闭环自激 3 敏感机理 4 谐振子的Q值 5 设计要点 6 特征与优势
1 基本结构 2 闭环自激 3 敏感机理 4 谐振子的Q值 5 设计要点 6 特征与优势
综上所述，相对其它类型的传感器，谐振式传感器的本质特 征与独特优势是： ① 输出信号是周期的，被测量能够通过检测周期信号而解 算出来。这一特征决定了谐振式传感器便于与计算机 连接，便于远距离传输； ② 传感器系统是一个闭环结构，处于谐振状态。这一特征 决定了传感器系统的输出自动跟踪输入；
将式（5-2）代入式（5-器使用的振动系统总是有振荡的，故式(5-3)的解应写 为
1, 2 n i d (5-4)
n k m c 2 km
在谐振式传感器中，谐振子的品质因素Q值是一个极其重要的指 标，针对能量的定义式为：
每周平均储存的能量 Q 每周由阻尼损耗的能量
(5-16)
1 0 ，利用图5-6所示的谐振子 对于弱阻尼系统， 的幅频特性可给出： 1 Q Am (5-17) 2 n 1 Q (5-18) 2 1 p 2 p1
二、谐振式传感器的理论基础
1 基本结构 2 闭环自激 3 敏感机理 4 谐振子的Q值 5 设计要点 6 特征与优势
实际应用的谐振敏感元件多为弹性敏感元件。在讨论其振动 特性时，可以用一个等效的单自由度有阻尼的系统来描述（如下 图5-2）。图中k，m，c分别为等效刚度、等效质量和等效阻 尼。其自由振动的运动方程为：
单晶硅谐振式传感器原理
单晶硅谐振式传感器原理
单晶硅谐振式传感器是一种常用的微机电系统(MEMS)传感器，其
原理是基于单晶硅薄膜的压力感应效应和谐振效应实现压力信号的转换。
第一步：基本原理
单晶硅谐振式传感器由压电谐振结构和电路驱动结构组成，压电
谐振结构通常由压电陶瓷晶体和谐振器构成。
当外力作用于压电陶瓷
晶体时，会产生电位变化，从而改变谐振器的共振频率。
通过测量共
振频率的变化，可以反映出外力的大小。
第二步：工作原理
单晶硅谐振式传感器的工作过程分为谐振和检测两个过程。
在谐
振过程中，外加电压施加在压电材料上，压电材料会振动并传输到谐
振器上。
在谐振器共振频率的范围内，晶体的机械振动会被转换成电
信号。
在检测过程中，感知器所得到的电信号，通过电路处理后即可
得到压力信号的大小。
第三步：应用领域
单晶硅谐振式传感器具有灵敏度高、温度稳定性好、反应速度快
等特点，广泛应用于气动力学、航空航天、化工、医疗、能源等领域。
在实际应用中，它可以用于测量压力、加速度、流速、化学量等物理量，为许多行业提供了可靠的技术支持。
总体而言，单晶硅谐振式传感器原理是基于压电陶瓷晶体的电势
变化来实现外力测量的，其灵敏度高、使用寿命长、反应速度快等优
点不仅提高了传感器的检测精度，同时在实际应用中也具有广泛的应
用前景。
第9章谐振式传感器_2精选全文
9.1.2 谐振式传感器的基本原理
然而阻尼总是存在的，除电磁阻尼外还有空 气阻尼等。振弦在运动过程中切割磁力线产生感 应电势，该电势通过外接闭合回路形成电流，使 振弦受到大小正比于运动速度、方向和运动速度 相反的磁场力的作用，此即电磁阻尼。
设想将上述感应电势测出来，然后通过正反 馈在振弦两端加幅度相同、相位也相同的外接电 势，则不会产生电磁阻尼。若外接电势略大于上 述感应电势，还可消除其他阻尼的影响。
9.1 谐振式传感器的类型与原理
√ 9.1.1 谐振式传感器的类型 9.1.2 谐振式传感器的基本原理
9.1.2 谐振式传感器的基本原理
设振子等效刚度为ke，等效振动质量为me，则 振子谐振频率f可近似表示为
f 1 ke
(9.1)
2π me
若振子受到力的作用或其中的介质质量发生
变化，导致振子的等效刚度或等效振动质量发生
(a)扁平形
(b)平凸形
h
(c)双凸形
9.1.1 谐振式传感器的类型
根据能陷理论，选择谐振子外形的主要依据
是径向尺寸f和晶片厚度h之比值的大小。一般， 在f/h≤15时，采用双凸形。当15＜f/h≤45时， 采用平凸形f/h＞45时，采用扁平形。
9.1.1 谐振式传感器的类型
石英晶体振荡器的基本原理 在石英晶体的电极上施加交变激励电压时，
变化，其谐振频率也会发生变化。此即机械式谐
振传感器的基本工作原理。
9.1.2 谐振式传感器的基本原理
1.谐振频率 如图所示，一根两端固定，长
度为l，线密度(单位长度质量)为r
的弦，受到张力T作用。其谐振频 率(一次振型)为
x Tl
f 1 1 T 2π 2l 2l r
第9章 谐振式传感器讲解
9.1.1 谐振式传感器的类型
随着微电子技术和微机械加工技术的兴起，以 硅为振子材料的硅微机械谐振传感器越来越受到了 重视。这种传感器利用成熟的硅集成制造工艺，能 得到大批量的可靠性高、灵敏度高、价格低廉、体 积小、功耗低的产品，特别是便于构成集成化测量 系统。其振子常为微悬臂梁、两端固支微梁(桥)、 方膜或圆膜等形状，尺寸在微米量级。
即可得两个微分方程
d2Y/dx2 (w/)2Y 0 (9.6) d2G/dt 2 w2G 0 (9.7)
9.1.2 谐振式传感器的基本原理
d2Y/dx2 (w/)2Y 0 (9.6) d2G/dt 2 w2G 0 (9.7)
其一般解为
Y Asin(wx/) B cos(wx/) (9.8)
当15＜f/h＜45时，采用平凸形，优点是边
缘效应小，振动活力较高，频率温度特性曲线一 致性较好。
f/h＞45时，采用扁平形。
9.1.1 谐振式传感器的类型
石英晶体振荡器的基本原理 在石英晶体的电极上施加交变激励电压时，
由于逆压电效应，石英晶体会产生机械振动。石 英晶体是弹性体，它存在固有振动频率。当强迫 振动频率等于其固有振动频率时会产生谐振。
因弦的斜率为q＝y/x，所以上式可变换为
2y r 2y
x2 T t 2
2 y x 2
1
2
2 y t 2
(9.3)
式中，2＝T/r，可被证明为沿弦传播的波速。
9.1.2 谐振式传感器的基本原理
2y 1 2y
x2 2 Leabharlann 2假设上式的解为y(x,t) Y(x)G(t)
(a)扁平形
压力传感器原理及应用
压力传感器原理及应用压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分,由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出,给显示仪表显示压力值,或供控制和报警使用。
压力传感器的种类繁多，如压阻式压力传感器、应变式压力传感器、压电式压力传感器、电容式压力传感器、压磁式压力传感器、谐振式压力传感器及差动变压器式压力传感器，光纤压力传感器等。
一、压阻式压力传感器固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。
压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。
压阻式具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。
1、压阻式压力传感器基本介绍压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片，称为半导体应变片，因此应变片制成的传感器称为半导体应变式传感器，另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，以此扩散电阻的传感器称为扩散型压阻传感器。
半导体应变式传感器半导体应变式传感器的结构形式基本上与电阻应变片传感器相同，也是由弹性敏感元件等三部分组成，所不同的是应变片的敏感栅是用半导体材料制成。
半导体应变片与金属应变片相比，最突出的优点是它的体积小而灵敏高。
它的灵敏系数比后者要大几十倍甚至上百倍，输出信号有时不必放大即可直接进行测量记录。
此外，半导体应变片横向效应非常小，蠕变和滞后也小，频率响应范围亦很宽，从静态应变至高频动态应变都能测量。
由于半导体集成化制造工艺的发展，用此技术与半导体应变片相结合，可以直接制成各种小型和超小型半导体应变式传感器，使测量系统大为简化。
但是半导体应变片也存在着很大的缺点，它的电阻温度系统要比金属电阻变化大一个数量级，灵敏系数随温度变化较大它的应变—电阻特性曲线性较大，它的电阻值和灵敏系数分散性较大，不利于选配组合电桥等等。
硅谐振式磁传感器简介
UH
w
0 EY
RH iBw
RH d
IB
上式仅适用于无限长的霍尔板，实际上霍尔板的长度是有限的，长宽比常设置 在l/w>=4或l/w<=1/4。所以不同形状的霍尔板，将导致电流电极和霍尔电极对霍 尔电压带来影响，常使用元件的形状效应系数fH来修正这种影响。考虑到这些， 实际的霍尔电压UH可用下式求得：
【霍尔元件与霍尔传感器】
3.4霍尔传感器应用举例。
霍尔元件是霍尔传感器的核心。霍尔电压UH磁通密度B和控 制（或输入）电流I之间的相互关系式霍尔传感器的基本工作 原理。
【磁传感器的工作原理】
设电子与空穴各自的碰撞缓和时间是常数，各自的密度为n，p，迁移
率为μ n，μ p，且μ n/μ p>>1, μ nn/μ pp>>1, μ n/μ p>>μ nB。在此条件 下，电阻率的增加可表达为：
ρ -ρ 0 ρ0
=
ρ ρ0
=
pμ n
nμ
p
B2
或者写成：
ρ ρ0
=1+
pμ n
借助较成熟的微细加工技术，能制作微型霍尔元件，用于测定磁泡的霍尔元件。缺点： （1）输入功率与磁灵敏度并非完全线性。 （2）有效的敏感区很小，约在5μ m× 5μ m以内。欲测定磁泡产生的磁场分布，可用
微型霍尔元件阵列来实现。
离子注入技术是大量生产高性能微型霍尔元件的先进技术之一。在具有绝缘性 GaAs半导体表面上注入Se离子，形成亚微米厚度的活性层，就能得到具有极高磁灵 敏度的微型霍尔元件。由于使用了GaAs材料，温度特性也有明显地改善，UH的温度 系数β 达到0.01%/℃左右。
对磁电阻效应产生的机理分析如下： （1）在半导体内存在外界电场EX，霍尔电场EY，在合成电场E的作 用下，电子沿斜的方向加速，获得速度后，由于和晶格与杂质原子存 在碰撞，所以作圆弧运动，运动轨迹从宏观上看是与外界电场EX平 行，如a所示。虽然电子是沿外界电场EX的方向移动，但由于外加磁 场作用，电子与晶格和杂质原子碰撞概率增加，故电阻率增加，这就 是金属产生磁电阻效应的原因。
MEMS课程例题
作业题目：（任选10道题给出答案）1、叙述干法腐蚀技术的主要工艺流程。
1、刻蚀用气体在足够强的电场作用下被电离，产生离子、电子及游离原子等刻蚀类物质。
2、刻蚀类物质穿过停滞气体层（气体屏蔽层），扩散在被刻蚀晶片的表面上，并被表面吸收。
3、随后便产生化学反应刻蚀，如同离子轰击。
反应生成的挥发性化合物由真空泵抽出腔外。
2、LIGA工艺和准LIGA工艺各有什么特点？其主要工艺过程有哪些？LIGA 技术特点:（1）可制作高度达数百至1000μm，高宽比大于200，侧壁平行线偏离在亚微米范围内的三维立体微结构；（2）对微结构的横向形状没有限制，横向尺寸可小到0.5μm，加工精度可达0.1μm；（3）用材广泛，金属、合金、陶瓷、聚合物、玻璃都可作为LIGA加工的对象；（4）与微电铸、注塑巧妙结合可实现大批量复制生产，成本低。
LIGA工艺过程：准LIGA工艺特点：UV-LIGA技术采用基于SU8光刻胶的厚胶紫外光刻工艺取代同步辐射X光光刻工艺，大大降低了LIGA技术的加工成本，缩短了加工周期，并且可以制备台阶微结构，适用于加工深度小于500μm，线宽大于5μm，深宽比小于20的微结构。
工艺过程：3、键合技术的分类与特点？键合技术分为：阳极键合、Si－Si直接键合、玻璃封接键合、金属共熔键合。
它们的特点分别为：（1）阳极键合阳极键合又称为静电键合或场助键合。
其特点是：设备简单；键合温度低；与其他工艺相容性好；键合强度及稳定性较高。
（2）Si－Si直接键合Si－Si直接键合又称热键合或熔硅键合。
其特点是：由于两块硅片通过高温处理可直接键合在一起，中间无需任何粘结剂和夹层，也无需外加辅助电场，所以其工艺简单。
（3）玻璃封接键合玻璃封接键合是指用玻璃料用于封接。
由于玻璃料可以由不同的金属氧化物组成，所以不同成分的金属氧化物和不同比例的组成成分可以使其具有不同的热膨胀系数和特点。
（4）金属共熔键合金属共熔键合的特点是以金属材料膜作为夹层，与被键合的一对表面一起形成3层结构，然后在适当的温度和压力下利用硅与金属形成的共晶实现熔接。