硅微机械谐振压力传感器技术发展
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
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ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ
ｒｅｓｏｎａｎｔ
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ｍａｊｏｒ
ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｓｔｕｄｙｓｔａｔｕｓ
ａｎｄ
ｔｈｅｌａｔｅｓｔｒｅｓｅａｒｃｈａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓａｒｅ
ｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ｂａｓｅｄ
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ｓｅｎｓｏｒ
ｃｈｉｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ
ｄｉａｐｈｒａｇｍａｎｄｒｅｓｏｎａｔｏｒ，ａｎｄ
ｖｉｂｒａｔｉｎｇｄｉａｐｈｒａｇｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｎ
ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ
ａｒｅ
ｍａｄｅｉｎ
ｓｅｎｓｏｒ
ｃｈｉｐｓｆｆｕｃｔｕｒｅｓ，ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ．Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ
ｆｏｒｔｈｅｆｏｒｅｓｅｅａｂｌｅｆｕｔｕｒｅｏｆｓｉｌｉｃｏｎｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｒｅｓｏｎａｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｉｓ
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
２０１３年１０月苑伟政等：硅微机械谐振压力传感器技术发展
众多优点。
硅微机械谐振压力传感器技术中最关键的就是传感器芯体设计，其芯体结构及其激励与检测方式对传感器精度和稳定性影响最大。本文将根据激励与检测方式不同，重点对该技术３０年发展过程中各种硅微机械谐振压力传感器的芯体结构进行系统介绍。１
２．１静电激励／电容检测方式
英国Ｄｒｕｃｋ公司从２０世纪８０年代初以来一直从事硅微机械谐振压力传感器研究。１９８４年ＧＲＥＥＮＷＯＯＤ［４１开发了全世界第一个硅微机械谐振压力传感器原型，其谐振器和压力敏感膜片在同
２压力敏感膜片与谐振器复合结构
工作原理
根据芯体结构不同，硅微机械谐振压力传感器
一张硅片上利用浓硼自停止刻蚀技术制作，并利用环氧树脂将该结构与溅射有电极的玻璃片粘接在一起，采用静电激励／电容检测的工作方式。其谐振器如图２ａ所示，由两个中间连接的矩形板和Ｖ形支撑梁构成，振动模式为两矩形板的反向扭转，０．１３３Ｐａ真空下Ｑ值为１００００。但其电容检测困难，耦合干扰较大，只有在低于１３３Ｐａ的真空环境下才能检测到谐振频率。之后经过不断优化，Ｄｒｕｃｋ公司在该原型样件的基础上开发了一种气压计ｐＪ，如图２ｃ所示，利用玻璃浆料键合替代了环氧树脂粘接，利用玻璃管抽真空将谐振器密封于真空环境。其Ｑ值大于４００００，精度０．０Ｉ％ＦＳ，年稳定性０．０２％ＦＳ，温度范围一２０～７０℃。１９９５年该ＲＰＴ系列压力传感器开始批量生产，其谐振器结构进一步优化为蝶形，如图２ｂ所示，仍采用玻璃管真空封装，最高精度０．０Ｉ％ＦＳ，最高年稳定性０．０ｌ％ＦＳ，最高温度范围－４０～６０℃。但这种传感器当压力敏感膜片受压变形时，谐振器的激励与检测电容间隙会发生变化并引起激励力和检测信号的非线性变化，增加了闭环控制的难度。而且由于谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片，谐振器通过雎力敏感膜片与外界环境发生能力耦合，即传感器精度受同振质量影响。同时浓硼自停止刻蚀结构自身的内应力及厚度限制造成该系列压力传感器最高量程只有３５０ｋＰａ，而且玻璃管也不利于传感器装配，因此严重限制了其应用。
压力敏感
电极
谐振器
膜片
传感器层
丰要可以分为两大类，分别是压力敏感膜片与谐振
器复合结构，以及振动膜结卡勾【引。对于压力敏感膜
片与谐振器复合结构，如图１ａ所示，其谐振器固定Ｊ二压力敏感膜片表面适当位置，并密封于参考压力环境。当待测压力变化时，压力敏感膜片将变形并引起谐振器的刚度变化，通过检测谐振器的固有频率变化就可以实现压力测量。对于振动膜结构，如图１ｂ所示，当待测压力变化时，振动膜将变形并改变自身固有频率，通过检测该固有频率变化就可以达到压力测量的目的。
【ａ）压力敏感膜片与谐振器复合结构
∞肖
（ｂ）振动膜结构
图１两类硅微机械谐振压力传感器芯体结构示意图
这两大类硅微机械谐振压力传感器研究都起源于２０世纪８０年代初期。其中振动膜结构相对压力敏感膜片与谐振器复合结构在芯体设计和制作Ｔ艺方面更加简单，但振动膜结构不仅品质因数Ｑ值受待测压力影响，而且精度受同振质量影响，而压力敏感膜片与谐振器复合结构因谐振器密封于参考压力环境工作更加稳定可靠。因此随着ＭＥＭＳ技术的发展和日渐成熟，压力敏感膜片与谐振器复合结构硅微机械谐振压力传感器逐渐成为了研究主流，并且英国、美国、日本、法国等国家已成功研发了硅微机械谐振压力传感器产品并获得了广泛应用。
为了检测谐振器或振动膜的固有频率，硅微机械谐振压力传感器需要选取适当的激励与检测方式。常用的激励方式主要有静电激励、电磁激励、电热激励、光激励和逆压电激励等，而常用的检测方式主要有电容检测、压阻检测、电磁检测、光检测和压电检测等。
（ｂ）蝶形谐振器（ｃ）芯体结构示意图
图２Ｄｒｕｃｋ公司第一种电容检测硅微机械谐振压力传感器
４
机械工程学报
ｌ
第４９卷第２０期
９９６年Ｄｒｕｃｋ公司的ＷＥＬＨＡＭ等∞１将表面加期研究的基础｝：，
目前利用绝缘体上硅
工工艺与体加工工艺结合制作了另一种静电激励／电容检测的硅微机械谐振压力传感器，如图３所示，采用侧向振动多晶硅梳齿谐振器。虽然其谐振器与压力敏感膜片的工作模态互相垂直可以减小二者之间的能量耦合，滑膜阻尼可以减小封装气体对Ｑ值的影响，但改进能力有限，其空气中Ｑ值只有５０。并且这种传感器存在不稳定激励与检测的问题，即当压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度会发生变化，而激励与检测梳齿位置不动，因此激励力和检
（Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ—ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，ＳＯＩ）深刻蚀释放技术制作出一种动平衡硅微机械谐振压力传感器，如图５ｂ所示。
谐振器采用侧向动平衡往复振动，可以减小与压力
敏感膜片之间的能量耦合，提高Ｑ值。而为了利于电容检测，选用差动梳齿设计。其常压下Ｑ值为
１２５０，５
Ｐａ真空下Ｏ值为５００００。常压封装后经闭
环电路测试，其基础频率３４．１７２ｋＨｚ，线性度为０．０２％ＦＳ，迟滞为０．０５％ＦＳ，重复性为０．１７％ＦＳ，精度为０．１８％ＦＳ，灵敏度为１０．１７３
Ｈｚ／ｋＰａ。
测信号均会减小，这样不仅增加了闭环控制的难度，同时也会对传感器精度产生影响。
边框谐振器
电极压力敏
▲‘
（ａ）三明治结构
（ｂ）动平衡结构
感膜片
图３Ｄｒｕｃｋ公司第二种电容检测硅微机械谐振压力传感器
图５西北工业大学硅微机械谐振压力传感器
法国Ｔｈａｌｅｓ公司从２０世纪９０年代初开始硅微机械谐振压力传感器研究。１９９５年ＭＡＮＤＬＥ等Ｈ研发出一种静电激励／电容检测的硅微机械谐振压力传感器，如图４所示，利用三层硅硅真空键合技术制作，其谐振器为双端固支梁，Ｑ值为２５
０００，
Ｊ
２．２静电激励／压阻检测方式
１９９１年美国Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ航空传感器分公司的ＰＡＲＳＯＮＳ等【Ｉｕ利用硅硅键合技术研制出了一种静电激励／压阻检测的硅微机械谐振压力传感器，如图６ａ所示，表面集成有温度二极管。其谐振器为双端固支梁，真空下的Ｑ值大于６００００，精度０．０１％ＦＳ，温度范围一５５－１２５℃。１９９５年美国Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司的ＢＵＲＮＳ等【Ｉ２Ｊ也利用表面加工工艺制作了一种静电激励／压阻检测的硅微机械谐振压力传感器，如图６ｂ所示。其谐振器为密封于真空环境的多晶硅双端固支梁，Ｑ值为２００００～４００００，温度为一６０～１８０。Ｃ，短期稳定性１Ｘ１０。但这两种传感器的谐振器振动方向均垂直于压力敏感膜片，尽管通过增大压力敏感膜片与谐振器的频率间隔可以减小二者之间的能量耦合，但传感器精度不可避免仍一定程度上受同振质量影响。
精度为０．０ｌ％ＦＳ，重复性优于Ｏ．００１％ＦＳ。１９９６年该Ｐ９０系列压力传感器开始批量生产，精度０．０ｌ％ＦＳ，温度范围－４０～８５℃，寿命大于２０年，同时其真空封装技术２００６年还在进一步优化ＭＪ。但该传感器的谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片，因此精度受同振质量影响ｐＪ，并且压力敏感膜片受
压变形时激励力与检测信号的非线性变化会增加闭
环控制的难度。
温度
上硅片谐振器传感器真空腔电极
下硅片压力敏中间玻璃氧化
感膜片硅片支撑隔离层
图４Ｔｈａｌｅｓ公司硅微机械谐振压力传感器
西北工业大学从２００５年开始硅微机械谐振压力传感器研究，采用静电激励／电容检测的工作方式。２００７年研制出一种三明治结构的硅微机械谐振压力传感器ｐ’ⅢＪ，如图５ａ所示，其谐振器为采用各向异性刻蚀技术镂空的花瓣状结构，常压下基础频率９．９３２ｋＨｚ，Ｑ值为３４，其谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片，因此精度受同振质量影响。在前
鸢暮蓊
图６两种静电激励／压阻检测硅微机械谐振压力传感器
１９９９年Ｄｒｕｃｋ公司的ＷＥＬＨＡＭ等㈣利用硅硅
键合、减薄与深反应离子刻蚀技术制作了一种静电激励／压阻检测的硅微机械谐振压力传感器，如图
２０１３年ｌＯ月苑伟政等：硅微机械谐振压力传感器技术发展
７ａ所示，采用侧向动平衡振动谐振器。由于其谐振器与压力敏感膜片的工作模态互相垂直，因而减小了二者之间的能量耦合，而动平衡振动模式下谐振器对外能量传递也大幅度减少，同时滑膜阻尼可以减小封装气体对Ｑ值的影响，压阻检测相对电容检测也更加简单，因此其工作更加稳定，Ｑ值更高。其常压下Ｑ值为ｌ
５０
０００，１
中国科学院电子学研究所从２００８年开始电磁激励硅微机械谐振压力传感器研究，目前共研发了
三种电磁激励／电磁检测的硅微机械谐振压力传感
器。其谐振器和压力敏感膜片均采用浓硼自停止刻蚀技术一体制作，谐振器采用侧向振动以减小与压力敏感膜片之间的耦合干扰，通过中间谐振器和边缘谐振器的差分检测来抑制温度影响并提高灵敏度，改善线性度。虽然采用电磁激励／电磁检测方式芯体结构简单，易于激励与检测，但这三种传感器
Ｐａ真空下Ｑ值大于
０００。但当压力敏感膜片受压变形时谐振器的高
度会发生变化，这种传感器仍存在不稳定激励与检测的问题。
２００９年Ｄｒｕｃｋ公司的ＫＩＮＮＥＬＬ等¨１进一步研制了一种硅微机械谐振压力传感器，根据封装方式不同分Ａ、Ｂ两种类型，如图７ｂ所示，仍采用静电激励／压阻检测的工作方式。其传感器芯体结构和制作工艺更加复杂，由三层硅片和一层玻璃片真空键合而成，通过将谐振器固定端移到硅岛外侧，从而保证压力敏感膜片受压变形时谐振器高度基本不变，避免了不稳定激励与检测的问题。其Ｑ值为
３０
仍避免不了电磁激励方式固有的必须Ｊ＇ｂ：Ｄｉｌ恒定磁场
的要求。第一种如图８ｂ所示【Ｉ川，其谐振器为三组Ｈ形双端固支梁，真空下Ｑ值为１００００，线性度为
１．８％Ｆｓ。第二种如图８ｃ所荆１６Ｊ，其谐振器为三组
双端音叉谐振器（Ｄｏｕｂｌｅ．ｅｎｄｅｄ
ｔｕｎｉｎｇ
ｆｏｒｋ，ＤＥＴＦ）
谐振梁，真空下Ｑ值大于１００００，线性度为１．４％ＦＳ。但是这两种结构中，中间谐振梁和边缘谐振梁的灵敏度不同，同时封装应力较大，因此差分后传感器非线性较差，温漂大。第三种如图８ｄ所示…Ｊ，改进了三谐振梁结构，利用四组工作于待测压力环境的Ｈ形谐振器差分检测，通过苯并环丁烯（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ，ＢＣＢ）胶粘接键合得到参考真空腔，通过单角固定的封装方式减小温度影响和封装应力，传感器常压下Ｑ值为１
２００，１
０００，精度为ｏ．００４％ＦＳ，两年稳定性优于
０．０１％ＦＳ，温度为一５４～１２５℃。该ＴＥＲＰＳ系列压力传感器已于２０１０年正式发布并批量生产。
占裁、鹾霪一一Ｉ－－３
压力敏感膜片
谐振器
ｋＰａ气压下Ｑ
值为２６００，线性度为０．０３％ＦＳ，迟滞为０．０６％ＦＳ，温度为－４０～７０℃。但是其谐振器Ｑ值会随着待测压力环境变化而变化，不利于闭环控制，会对传感器精度产生影响。而且参考真空腔用ＢＣＢ胶粘接漏率较大，同时会影响传感器的重复性和迟滞。
图７２．３
学蒺一
（ａ）第一种结构
、玻璃层
日芸孝霪蚓雕
、、跫嗣曩■—■ｉ嚣
（ｂ）第二种结构
Ｄｒｕｃｋ公司两种压阻检测硅微机械谐振压力传感器
电磁激励／电磁检测方式
日本横河电机株式会社从２０世纪８０年代末期
开始硅微机械谐振压力传感器研究，ＨＡＲＡＤＡ等【１４】利用自对准选择性外延生长和选择性刻蚀技术研制出了一种电磁激励／电磁检测的差压硅微机械谐振压力传感器，如图８ａ所示。该传感器有两个位于压力敏感膜片上表面不同应力区并密封于真空腔内的Ｈ形谐振器，通过两谐振器差分来检测压力并消除温度影响。其Ｑ值为５００００，精度为０．０１％ＦＳ，温度系数为１０×１０＇６／ｏｃ，年稳定性为０．０１％ＦＳ。１９９１年该ＤＰｈａｒｐ系列压力变送器开始批量生产，其独特的差压设计很好地满足了工业应用。但考虑到必须外加恒定磁场，因此该传感器难以实现微型化。
濯篆擅
（ａ）横河电机株式会社硅微
机械谐振压力传感器（ｂ）中科院电子所第一种硅微机械谐振压力传感器
６
机械工程学报
２．５
第４９卷第２０期
谐振器为双端固支梁，真空下Ｏ值为５１９５，重复性为０．０８％ＦＳ，迟滞为０．１５％ＦＳ，精度为０．１７％ＦＳ。虽然电热激励／压阻检测方式芯体结构简单，易于激励与检测，但其功耗较高，激励热应力会引起谐振器固有频率变化从而影响精度，同时受外界环境温度变化影响较大。２０１１年ＴＡＮＧ掣ｗ１进一步提出了一种双谐振梁硅微机械谐振压力传感器，如图９ｂ所示，其中一个谐振梁位于压力敏感膜片上表面中心位置用于敏感压力，另一个谐振梁位于边框非应
光激励／光检测方式和静电激励／光检测方式
１９９２年美国Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ航空传感器分公司
的ＡＮＧＥＬＩＤＩＳ等“ｕ研制了一种适用于恶劣环境的光激励／光检测的硅微机械谐振压力传感器，如图
Ｉ
ｌａ所示，利用硅硅键合技术制作。其谐振器为双
端固支梁，同时集成悬臂梁谐振器测试温度，真空下Ｑ值为２００００，精度为０．０５％ＦＳ，工作温度最高为４５０℃。但光激励方式光学系统复杂，组装精度要求很高。同时由于其谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片，传感器精度受同振质量影响。
２００１年瑞典皇家理工学院的ＭＥＬＶＡＳ等【２纠也报道了一种光检测硅微机械谐振压力传感器原型，如图１ｌｂ所示，采用静电激励的工作方式，表面加工工艺制作。其谐振器为一端固定于压力敏感膜片下表面的多晶硅双端固支梁，工作在由压力敏感膜片密封得到的真空环境。但是由于其多晶硅谐振梁表面有氮化硅层，同时谐振梁与压力敏感膜片之间存在能量耦合，其Ｏ值只有１０。
力区用于补偿温度，利用两谐振梁的频率差将温漂减
ｄ，Ｎ原来的３．３％。但是这两种传感器由于谐振梁及其下方振动浅槽的存在导致压力敏感膜片的厚度较大，传感器的灵敏度受限。同时其谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片，传感器精度受同振质量影响。
激励检测补偿
谐振梁电阻电阻电阻
梁
电极
感膜片
（ａ）单谐振梁结构（ｂ）双谐振梁结构
硅硅键合
图９北京航空航天大学硅微机械谐振压力传感器
真
中国科学院电子学研究所也从２０世纪９０年代初开始硅微机械谐振压力传感器研究，共研发了两大类电热激励／压阻检测的硅微机械谐振压力传感器¨…，分别为方槽结构和半岛结构，如图１０所示，其谐振器均为双端固支梁。其中方槽结构有梁膜一体和梁膜分体两种工艺，谐振器采用单晶硅或富硅氮化硅材料，高真空下Ｏ值为３００００～４００００，并且氮化硅谐振梁由于热导率小因此激励效率更高。而半岛结构采用富硅氮化硅谐振器，灵敏度比方槽结构大一个数量级，达到了２００Ｈｚ／ｋＰａ。但这两类传感器仍避免不了电热激励方式固有的局限性，受自身热应力和外界环境温度影响较大，同时富硅氮化硅梁由于自身材料应力问题造成传感器稳定性不好。由于其谐振器振动方向同样垂直于压力敏感膜片，传感器精度受同振质量影响。
３．１
（ａ）Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ公司硅微机械谐振压力传感器
图１１
（ｂ）瑞典皇家理工学院硅微机械谐振压力传感器
两种光检测硅微机械谐振压力传感器
３振动膜结构
静电激励／电容检测方式
１９９３年新西兰工业研究有限公司的ＡＮＤＲＥＷＳ等【２驯报道了一种静电激励／电容检测的硅微机械谐振压力传感器原型，如图１２ａ所示，其振动膜工作在待测压力环境中，利用振动膜与电极平面之间气体的压膜刚度效应改变振动膜的固有频率。但该工作原理不适用于高压测试，且精度受同振质量影响。２０００年瑞典皇家理工学院的ＭＥＬＩＮ等¨４Ｊ也研发了一种静电激励／电容检测的振动膜结构硅微机械谐振压力传感器，如图１２ｂ所示，其振动膜由一个硅硅键合的空腔构成，而该空腔又密封于两层玻璃键合的真空环境内。它通过支撑梁上的通道与待测压力直接接触，采用平衡扭转模态振动，
（ａ）方槽结构（ｂ）半岛结构
图１０中科院电子所电热激励硅微机械谐振压力传感器
２０１３年１０月苑伟政等：硅微机械谐振压力传感器技术发展
真空下的Ｑ值为１４ｏｏｏ，灵敏度为１５０×ｌＯ＿６／ｋＰａ，温度系数一３４×１０＿６／。Ｃ。但是由于该振动膜与待测压力直接接触，传感器Ｑ值会随着待测压力环境变化，同时精度受同振质量影响。
ａ）屯特大学硅微机械
谐振压力传感器
结构
（ａ）新西兰工业研究有限公司
（ｂ）瑞典呈家理工学院硅微
硅微机械谐振压力传感器机械谐振压力传感器
图１２两种静电激励振动膜结构硅微机械谐振压力传感器
３．２
逆压电激励／压电检测方式和逆压电激励／光检测方式
１９８３年荷兰屯特大学的ＳＭＩＴＳ等¨圳报道了一
（ｂ）法国国家研究中心物理实验室硅微机械谐振压力传感器图１３
（ｃ）弗朗什孔岱人学硅微机械谐振压力传感器
三种逆压电激励振动膜结构硅微机械谐振压力传感器
种逆压电激励／压电检测的硅微机械谐振压力传感器原型，如图１３ａ所示，在振动膜表面制作有５个ＺｎＯ压电结构用于激励与检测，同时利用另一个不受被测压力影响的振动膜输出参考频率以补偿温度影响。２００１年法国国家科学研究中心物理实验室的ＤＥＦＡＹ等¨ｂＪ也报道了一种逆压电激励的硅微机械谐振压力传感器原型，如图１３ｂ所示，利用振动膜表面的Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０３压电薄膜激励，激光多普勒检测，基础频率为１８．６ｋＨｚ，灵敏度为６．８％／ｌ（Ｐａ。２００５年法国弗朗什孔岱大学的ＪＯＺＷＩＫ等【２¨也报道了一种逆压电激励／光检测的硅微机械谐振压力传感器原型，如图１３ｃ所示。它的测量臂位于压电激励的压力敏感膜片上表面，通过与参考臂组成马赫一曾德尔干涉仪进行信号检测。虽然逆压电激励方式芯体结构简单，但是这三种传感器表面的压电材料会降低振动膜的Ｑ值，并且由于振动膜与待测压力直接接触Ｑ值都会随着待测压力环境变化而变化，同时固有频率都受同振质量影响。４
振器与压力敏感膜片的工作模态互相垂直，冈此减小了二者之间的能量耦合，并且滑膜阻尼可以减小封装气体对Ｑ值的影响。同时，动平衡振动模式下谐振器对外能量传递也将大幅度减小。
（２）静电激励／电容检测方式与静电激励／压阻检测方式功耗更低，且利于与ＩＣ电路集成，但芯体结构复杂，同时压阻检测相对于电容检测更加简单；电磁激励／电磁检测方式芯体结构简单，易于激励与检测，但必须外加磁场，微型化受限；电热激励／压阻检测方式芯体结构简单，易于激励与检测，但功耗较高，同时受外界环境温度变化影响较大；逆压电激励芯体结构简单，但压电材料都会降低传感器Ｑ值：光检测方式芯体结构简单，耐高温，但光学系统复杂，组装精度要求很高。
（３）经过３０年发展，硅微机械谐振压力传感器技术已经取得了许多优秀的研究成果，而且技术领先的英国、美国、法国和日本四国已经将该技术成功产品化并获得了广泛应用，其传感器均采用压力敏感膜片与谐振器复合结构。其中英国Ｄｒｕｃｋ公司
结论
（１）振动膜结构硅微机械谐振压力传感器的芯
最新的ＴＥＲＰＳ系列硅微机械谐振压力传感器是目前性能最好的硅微机械谐振压力传感器，主要用于绝压测量，而日本横河电机株式会社的ＤＰｈａｒｐ系列硅微机械谐振压力变送器仍是目前唯一的差压测量硅微机械谐振压力传感器。
（４）相信随着ＭＥＭＳ技术的发展，尤其是加工和检测手段的进一步成熟稳定，硅微机械谐振压力传感器的技术难度将会大幅度降低，将会出现更多的硅微机械谐振压力传感器产品。其芯体结构和制作工艺也将会进一步多样化，除了真空封装的高精度硅微机械谐振压力传感外，工艺更加简单可靠的
体结构简单，但振动膜不仅Ｑ值受待测压力影响，而且精度受同振质量影响。压力敏感膜片与谐振器复合结构硅微机械谐振压力传感器虽然芯体结构复杂，但谐振器因密封于参考压力环境振动更加稳定可靠，已逐渐成为了研究主流。当谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片时，可以通过增大谐振器与压力敏感膜片之间的频率间隔减小二者之间的能量耦合；当谐振器平行于压力敏感膜片侧向振动时，谐
８
机械工程学报第４９卷第２０期
常压封装硅微机械谐振压力传感器有望成为可能。
同时相信随着硅微机械谐振压力传感器技术的进一步发展，硅微机械谐振压力传感器可以与Ｉｃ电路混
合集成，甚至单片集成，其成本将会大幅度降低，从而有望在中高精度和高稳定性静态测试领域进一步替代传统硅压阻压力传感器。
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作者简介：苑伟政（通信作者），男，１９６１年出生，长江学者特聘教授，
Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｕａｎｗｚ＠ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．∞
任森，男，１９８１年出生，博士研究生。主要研究方向为微机械传感器及
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Ｅ－ｍａｉｌ：ｒｅｎｓｅｎ＠ｍａｉｌ．ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
硅微机械谐振压力传感器技术发展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
苑伟政， 任森， 邓进军， 乔大勇， YUAN Weizheng， REN Sen， DENG Jinjun， QIAO Dayong
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