CN1147711C - 一种具有温度自补偿功能的频率输出型微机械双梁谐振器 - Google Patents
一种具有温度自补偿功能的频率输出型微机械双梁谐振器Info
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Abstract
本发明公开了一种具有温度自补偿功能的频率输出型微机械双梁谐振器，它由在同一芯片上制作的硅/二氧化硅微桥谐振器和硅/二氧化硅双层微悬臂梁温敏元件组成，谐振器和温敏元件材料相同，厚度相等或相近，同时制作且工艺相同，通过数据融合技术，温敏元件的输出信号自动补偿温度变化对桥谐振器谐振频率的交叉灵敏度，从而减小微桥谐振器谐振频率的温度系数，提高工作温度范围。
Description
一、技术领域
本发明属于微电子机械系统(MEMS)领域，特别涉及一种具有温度自补偿功能的频率输出型微机械双梁谐振器。
二、背景技术
基于硅微机械加工技术制作的具有力学谐振频率的微谐振式传感器是一类重要的传感器。这类微传感器具有准数字信号输出、抗干扰能力强、制作成本低、功耗小、体积小、重量轻、易于批量生产的优点。微谐振式传感器可以利用微悬臂梁、微桥(双端固支梁)和方膜等谐振元件的谐振频率、相位和谐振振幅来测量各种物理量，如压力、真空度、角速度、加速度、流量、温度、湿度和气体成分等。
微桥谐振器在力学量测量方面以及制作滤波器、压控振荡器、倍频器等方面具有独特的优势。但是微桥谐振器的谐振频率受温度的影响很大。温度稳定性是微桥谐振器最重要的特征，由于温度的变化引起桥内应力的变化，从而引起桥谐振频率的变化。温度变化引起桥谐振频率的变化主要有以下几个方面的原因：(1)组成桥谐振器的材料之间热膨胀系数的差异；(2)基底材料和组成桥谐振器的材料之间热膨胀系数的差异；(3)组成桥谐振器的材料的杨氏模量和密度随温度的变化；(4)桥长度和厚度随温度的变化。桥谐振频率随温度变化的复杂原因使得结构上的补偿难以达到理想的补偿效果。
在智能传感器系统中，为了消除温度对被测的非温度参量的干扰，通常采用一个测温元件检测温度变化，并通过数据融合技术消除其对被测量的影响。但是，目前已有的温度传感器体积较大、响应时间较长，如果待测区域的温度变化很快，很难保证其与测量传感器对温度变化同步响应。另外，在这种情况下测温元件与测量传感器距离大，如果温度场分布不均匀，则测温元件所测量的温度难以反映测量点的真实温度。
三、发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种具有温度自补偿功能的频率输出型微机械双梁谐振器，从而减小微桥谐振器谐振频率的温度系数，提高工作温度范围。
为实现上述目的本发明采用的技术方案是：本发明由在同一芯片上制作的微桥谐振器、双层微悬臂梁温敏元件和基片组成，微桥谐振器和微悬臂梁温敏元件材料相同，厚度相等或相近，同时制作且工艺相同；通过数据融合技术，微悬臂梁温敏元件的输出电压或挠度大小能实时补偿温度变化对微桥谐振器谐振频率的交叉灵敏度。
本发明的另一特点是：微桥谐振器和微悬臂梁温敏元件均具有硅/二氧化硅双层结构；微桥谐振器和微悬臂梁温敏元件距离在微米量级，温敏元件可精确反映微桥谐振器的温度；微桥谐振器的工作方式可以为电热激励/压敏电阻拾振或光热激励/光信号拾振；温度变化是通过微悬臂梁温敏元件根部的压敏电桥或自由端挠度来反映的，根部的应变通过压敏电阻检测，自由端挠度通过光信号检测。
本发明微悬臂梁温敏元件是通过在单晶硅上生长二氧化硅薄膜实现的，冷却到室温时，由于二氧化硅的热胀系数小于硅的热胀系数，双层微悬臂梁温敏元件向硅侧挠曲；温度升高，悬臂梁的挠度减小，梁根部的应变也减小。研究表明：悬臂梁根部的应变(或自由端挠度)与梁所处的环境温度具有线性关系。通过数据融合技术，微悬臂梁温敏元件的输出能实时补偿温度变化对微桥谐振器的交叉灵敏度。
四、附图说明
图1(a)是本发明的结构示意图，图(b)是图(a)的A-A剖视图；
图2是本发明的一个实施例的器件结构及检测电路的示意图。
五、具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。
实施例：参见图1，2，包括微桥谐振器1、微悬臂梁温敏元件2和基片3、引线4、放大器8、11、带通滤波器9、移相器10、数据融合单元12和恒压源13。
微桥谐振器1采用电热激励/压敏电阻拾振的工作方式。微桥谐振器1的中部制作有激励电阻5以激励器件产生振动，固支端制作有压敏电桥6以拾取振动信号；微桥谐振器1根部的压敏电桥6的一个对角通过引线4与差动放大器8的两个输入端相连，差动放大器8的输出端通过引线4与带通滤波器9的输入端相连，带通滤波器9的输出端通过引线4和移相器10的输入端相连。移相器10的一个输出端通过引线4与数据融合单元12和激励电阻5相连接，移相器10另一个输出端与激励电阻5的另一端连接。微桥谐振器1、差动放大器8、带通滤波器9和移相器10组成闭环谐振回路检测微桥谐振器1的谐振频率；
放大器8对微桥谐振器1根部压敏电桥6的输出电压进行放大；
带通滤波器9的中心频率是微桥谐振器1的谐振频率，用以滤除微桥谐振器1输出电压中的二倍频分量；
移相器10调整回路的相位使其满足闭环自激相位条件；
温度变化是通过硅/二氧化硅双层微悬臂梁温敏元件2根部的压敏电桥7测量的。微悬臂梁温敏元件2的固支端制作有压敏电桥7以检测梁的形变，从而测量温度的大小；微悬臂梁温敏元件2根部的压敏电桥7的一个对角通过引线4与差动放大器11的两个输入端相连，差动放大器11通过引线4与数据融合单元12相联接。
放大器11对微悬臂梁温敏元件2的输出电压进行放大；
数据融合单元12对微桥谐振器1和悬臂梁温敏元件2的输出信号进行数据融合处理；
压敏电桥6剩余的一个对角中的一个角与压敏电桥7剩余的一个对角中的一个角连接，压敏电桥6剩余的最后一个角和压敏电桥7剩余的最后一个角分别与恒压源13的两个输出端连接。恒压源13同时为桥1和悬臂梁2根部的压敏电桥6、7提供工作电压。
Claims (5)
1、一种具有温度自补偿功能的频率输出型微机械双梁谐振器，其特征在于：由在同一芯片上制作的微桥谐振器[1]、双层微悬臂梁温敏元件[2]和基片[3]组成，微桥谐振器[1]和微悬臂梁温敏元件[2]材料相同，厚度相等或相近，同时制作且工艺相同；通过数据融合技术，微悬臂梁温敏元件[2]的输出电压或挠度大小能实时补偿温度变化对微桥谐振器[1]谐振频率的交叉灵敏度。
2、根据权利要求1所述的一种具有温度自补偿功能的频率输出型微机械双梁谐振器，其特征在于：所说的微桥谐振器[1]和微悬臂梁温敏元件[2]均具有硅/二氧化硅双层结构。
3、根据权利要求1所述的一种具有温度自补偿功能的频率输出型微机械双梁谐振器，其特征在于：微桥谐振器[1]和微悬臂梁温敏元件[2]的距离在微米量级，微悬臂梁温敏元件[2]可精确反映微桥谐振器[1]的温度。
4、根据权利要求1所述的一种具有温度自补偿功能的频率输出型微机械双梁谐振器，其特征在于：所说的微桥谐振器[1]的工作方式可以为电热激励/压敏电阻拾振或光热激励/光信号拾振。
5、根据权利要求1所述的一种具有温度自补偿功能的频率输出型微机械双梁谐振器，其特征在于：所说的温度变化是通过微悬臂梁温敏元件[2]根部的压敏电桥[7]或自由端挠度来反映的，根部的应变通过压敏电桥[7]检测，自由端挠度通过光信号检测。
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