高性能的應(yīng)變傳感器——硅基諧振式應(yīng)變傳感器

工欲善其事，必先利其器。在全球化的今天，專利已不僅僅是創(chuàng)新的一種保護(hù)手段，它已成為商業(yè)戰(zhàn)場中的利器。麥姆斯咨詢傾情打造MEMS、傳感器以及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的專利運營平臺，整合全產(chǎn)業(yè)鏈知識產(chǎn)權(quán)資源，積極推動知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)與有效利用。應(yīng)變傳感器又稱應(yīng)變計（strain gauge）是一種常用的傳感器，它利用了彈性材料（金屬、合金、半導(dǎo)體或者金屬陶瓷）的壓阻特性來檢測被測結(jié)構(gòu)的正應(yīng)變與剪切應(yīng)變，它廣泛應(yīng)用 于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，覆蓋的應(yīng)用領(lǐng)域包括土木工程、機(jī)械、航天、醫(yī)療以及可穿戴系統(tǒng)等。相比于傳統(tǒng)的應(yīng)變片，硅基諧振式應(yīng)變傳感器具有靈敏度高、溫漂小、準(zhǔn)數(shù)字化輸出、抗干擾能力強(qiáng)等特點，是一類高性能的應(yīng)變傳感器。硅基諧振式應(yīng)變傳感器一般采用雙端固支音叉結(jié)構(gòu)（Double Ended Tuning Fork，DETF） 的諧振式傳感器。通過將兩根雙端固支梁并聯(lián)，并使兩根梁的振動反相，形成音叉結(jié)構(gòu)，來 獲得較高的品質(zhì)因數(shù)（Q值）。目前，硅基諧振式應(yīng)變傳感器的主要問題在于，硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)受空氣阻尼的影響較大，在常壓下難以獲得較高的Q值，必須采用真空封裝，而目前較成熟的微機(jī)械真空封裝技術(shù)一般需要超過 400度的高溫工藝或者需要使用低滲透率的封裝材料并結(jié)合吸氣劑，這兩類工藝與硅基諧振式應(yīng)變傳感結(jié)構(gòu)的兼容性較差。日本橫河電機(jī)株式會社研制的高精度諧振式壓力傳感器中采用了一種H型諧振式應(yīng)變敏感結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用均質(zhì)的H型梁，通過電磁驅(qū)動使H型梁的4個臂振動，通過電磁檢測振動頻率隨應(yīng)力的變化。由于該結(jié)構(gòu)為均質(zhì)硅結(jié)構(gòu)，沒有金屬引線，可以采用高溫的硅外延工藝實現(xiàn)真空封裝。但是，該結(jié)構(gòu)必須采用電磁驅(qū)動、電磁檢測，當(dāng)用作應(yīng)變傳感器時，電磁鐵的封裝難度大。【推薦發(fā)明專利】《耦合諧振的諧振式應(yīng)變傳感器》【發(fā)明內(nèi)容】鑒于以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供了一種耦合諧振的諧振式應(yīng)變傳感器，以實現(xiàn)一種可采用高溫工藝真空封裝、高Q值、高分辨率、高靈敏度、長期穩(wěn)定性好的壓阻檢測諧振式應(yīng)變傳感器。

本發(fā)明的工字型諧振式應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)的立體示意圖本發(fā)明的耦合諧振的諧振式應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)包括：兩根敏感梁，各敏感梁的兩端被固定支撐；檢測梁，連接于上述兩根敏感梁之間。其中，敏感梁工作于對應(yīng)力敏感的橫振動模態(tài)，檢測梁工作于整體壓阻效應(yīng)顯著的縱振動模態(tài)，敏感梁橫振動模態(tài)與檢測梁縱振動模態(tài)的共振頻率近似相等，敏感梁與檢測梁形成耦合諧振，外加驅(qū)動使整個結(jié)構(gòu)以耦合諧振頻率振動，敏感梁中的應(yīng)力會改變敏感梁的共振頻率，整個結(jié)構(gòu)的耦合諧振頻率隨之改變，利用檢測梁的壓阻效應(yīng)測量耦合諧振頻率就可以測得應(yīng)力值，進(jìn)而計算得到應(yīng)變。本發(fā)明的耦合諧振的諧振式應(yīng)變傳感器，可以采用均質(zhì)的硅材料制成，結(jié)構(gòu)上不需要制作金屬引線，與高溫真空封裝工藝兼容，諧振結(jié)構(gòu)的驅(qū)動可以采用靜電驅(qū)動、電熱驅(qū)動和電磁驅(qū)動等多種方式，采用壓阻檢測。因此，本發(fā)明的耦合諧振的諧振式應(yīng)變傳感器具有可采用高溫工藝真空封裝、高Q值、高分辨率、高靈敏度、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在應(yīng)力檢測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。【相關(guān)專利】《基于量程拓展的諧振式應(yīng)變結(jié)構(gòu)、應(yīng)變傳感器及制備方法》