一种基于谐振器的流速传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及流速传感器技术领域，具体为一种基于弱谐振器的流速传感器。

背景技术

在医学、微电子学和化工领域，微流量的测量和控制处于十分重要的地位。近年来仿生学的发展给人们提供了更大的想象空间，通过研究和利用生物器官的结构和机理来设计传感器，正越来越受到科学界的关注与青睐。

昆虫毛状感触器是昆虫感觉微弱气体扰动的主要器官，当流体撞击毛状体时会在其上产生分布力，从而使毛状体发生形变。基于热式、压阻式和电容式的微流量传感器已成为研究热点并被应用于工业中。但是，其分辨率及刚干扰能力有待提高。基于谐振式的气体微流速传感器输出频率信号，易与后端数字电路接口，与传统的压阻式、电容式传感器相比，谐振式传感器拥有更高的精度，更好的长期稳定性和抗干扰能力。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种基于谐振器的流速传感器。

为此，本发明提供的基于谐振器的流速传感器，包括基底，所述基底上设有两个第一锚点，两个第一锚点之间设有长方形平板，且平板的长度方向与两个第一锚点所在直线垂直，同时平板的长度方向一端为固定端，该固定端与两个第一锚点连接，另一端远离两个第一锚点且为自由端；

所述基底上还设有第二锚点和两个第三锚点；所述第二锚点位于所述平板的长度方向上且位于固定端的延长线上，所述第二锚点和平板固定端所在直线与所述两个第三锚点所在直线平行；

所述第二锚点与平板之间设有第一谐振器，且第一谐振器的一端与第二锚点连接，另一端与平板固定端连接；所述两个第三锚点之间设有第二谐振器，且第二谐振器的两端分别与第三锚点连接；

所述第一谐振器和第二谐振器之间连接有耦合结构，且耦合结构的刚度小于第一谐振器的刚度、同时小于第二谐振器的刚度；

所述第一锚点、第二锚点和第三锚点的结构相同；所述第一谐振器和第二谐振器均包括谐振梁、质量块、驱动电极、调谐电极和检测电极；且所述第一谐振器和第二谐振器的结构相同。

可选的方案是，所述第一锚点、第二锚点及第三锚点均为方形。

可选的方案是，所述第一谐振器包括第一谐振梁、第一质量块、两个第一驱动电极、两个第一调谐电极和两个第一检测电极；所述第一质量块为工字形结构；所述第一谐振梁一端与平板固定端连接，另一端与第二锚点连接；所述第一驱动电极、第一调谐电极和第一检测电极位于第一质量块和第一谐振梁构成的田字形空格内；

所述第二谐振器包括第二谐振梁、第二质量块、两个第二驱动电极、两个第二调谐电极和两个第二检测电极；所述第二质量块为工字形结构；所述第二谐振梁两端与第三锚点连接；所述第二驱动电极、第二调整电极和第二检测电极位于第二质量块和第二谐振梁构成的田字形空格内；

所述耦合结构位于第一谐振器和第二谐振器之间且与第一谐振器和第二谐振器的谐振梁连接。

本发明还提供了上述流速传感器的制备方法，所述方法包括：

1)对SOI硅片正面进行涂胶和光刻；

2)对SOI硅片进行刻蚀，形成第一谐振器、第二谐振器、平板、第一锚点、第二锚点、第三锚点和耦合结构，并去除光刻胶；

3)去除与第一谐振器、第二谐振器、平板和耦合结构连接的二氧化硅层。

本发明的基于谐振器的流速传感器通过弱耦合谐振器的能量集中效应，极大提高了基于弱耦合谐振器的流速传感器的灵敏度和检测精度。

本发明提出的基于谐振器的流速传感器，包括锚点、平板和弱耦合谐振器系统，弱耦合谐振器系统包括两个谐振器，两个谐振器通过耦合结构微弱地耦合在一起，长方形平板与其中一个谐振器的谐振梁连接，弱耦合谐振器系统固定于锚点；两个谐振器在谐振频率处振动，两个谐振器的振幅相等。当气流作用于平板表面时，会使平板产生变形，从而在平板与谐振梁的连接处产生轴向应力，该应力会引起谐振器的刚度变化；另一个谐振器的刚度不受影响。因此，两个谐振器的刚度产生不同的变化，刚度的变化会使得弱耦合谐振器系统产生能量集中效应，导致两个谐振器的振幅不等，通过检测两个谐振器的振幅比可以获得气流的大小。而基于幅值比的输出灵敏度相比频率输出可以获得大幅提升，因此本发明的提出的流速传感器相比于传统的基于弱耦合谐振器的流速传感器具有超高的灵敏度。

附图说明

图1为本发明流速传感器的结构示意图。

图2为本发明示例中的流速传感器基于频率和振幅比输出的气流响应。

图3为本发明流速传感器制备流程图，图(a)-(c)依次为各步骤的对应附图。

具体实施方式

除非另有说明，本文中的术语或方法根据相关领域普通技术人员的认识理解或采用已有方法实现。

如图1所示，本发明的基于谐振器的流速传感器包括基底，基底上设有两个第一锚点4-1、第二锚点4-2和两个第三锚点4-3；

两个第一锚点4-1之间设有长方形平板5，且两个第一锚点位于长方形平板长度方向的一端(为固定端)，同时两个第一锚点与固定端连接；平板的另一端远离第一锚点为自由端；

第二锚点位于平板固定端的长度方向延长线上，且第二锚点与固定端所在直线与两个第三锚点所在直线平行；

第一谐振器1固定于第二锚点和平板固定端之间且与第二锚点和平板固定端连接，第二谐振器2位于两个第三锚点之间且与第三锚点连接，使得第一谐振器和第二谐振器对称设置；耦合结构3位于第一谐振器和第二谐振器之间且与第一谐振器和第二谐振器的谐振梁连接；

其中，第一锚点4-1、第二锚点4-2和第三锚点4-3的结构相同，如其横截面均为方形；两个谐振器结构参数相同，且均包括驱动电极、检测电极、调谐电极、谐振梁和质量块，同时第一谐振器和第二谐振器的刚度均大于耦合结构的刚度。

本发明的传感器中第一谐振器、第二谐振器和耦合结构构成弱耦合谐振器系统(具体方案中可以通过调整耦合结构的个数、尺寸或/和刚度，实现弱耦合)。本发明流速传感器可等效为二自由度的弹簧-阻尼-质量模型，第一谐振器1和第二谐振器2的结构参数相同，通过任意一个锚点(包括第一锚点、第二锚点和第三锚点)给谐振器施加直流电压，给一个或两个谐振器中的驱动电极施加交流电压，当第一谐振器1、第二谐振器2与其内部的驱动电极形成电势差时，驱动电极与第一谐振器1、第二谐振器2之间产生静电力，当施加的交流电压的频率与弱耦合谐振器的谐振频率相同时，弱耦合谐振器在静电力的作用下在谐振频率处产生运动位移，通过检测两个检测电极的输出电流可以获得第一谐振器1和第二谐振器2的振幅，外界温度没有变化时，第一谐振器1和第二谐振器2的振幅相等；

当气流作用于平板时，会使平板产生变形，从而在平板与第一谐振梁1-1的连接处产生轴向(轴向即平板的长度方向)应力，使得第一谐振梁的刚度发生变化；而第二谐振梁的刚度不受影响；当耦合结构3的刚度远小于第一谐振器1的刚度、且远小于第二谐振器2的刚度时，第一谐振器1刚度的变化会使得弱耦合谐振器系统产生能量集中效应，导致第一谐振器1和第二谐振器2的振幅不等，通过检测第一谐振器1和第二谐振器2的振幅比可以获得气流流速大小。

由于谐振器的能量集中效应，利用第一谐振器1和第二谐振器2的振幅比作为输出量纲可极大放大谐振式传感器的灵敏度。具体方案中，还可通过调整平板的长宽比来调整传感器的灵敏度，原则上平板的长宽比越大，传感器的灵敏度越大。

一些优选的方案中，第一谐振器和第二谐振器的结构如图1所示，所述第一谐振器1包括第一谐振梁1-1、第一质量块1-2、两个第一驱动电极1-3、两个第一检测电极1-4、两个第一调谐电极1-5；其中：第一谐振梁一端与平板固定端5连接，另一端与第二锚点4-2连接；第一质量块1-2为工字形结构，且第一质量块固定于第一谐振梁上；两个第一驱动电极1-3和两个第一检测电极1-4分别位于第一质量块1-2和第一谐振梁构成的田字形空格内，且均靠近第一质量块，两个第一调谐电极1-5分别位于两个第一驱动电极的空格内，且第一协调电极靠近第一谐振梁1-1且与第一驱动电极相对。

第二谐振器2包括第二谐振梁2-1、第二质量块2-2、两个第二驱动电极2-3、两个第二检测电极2-4、两个第二调谐电极2-5；各器件的结构设置同第一谐振器。

耦合结构3位于第一谐振梁1-1和第二谐振梁2-1之间且连接第一谐振梁1-1和第二谐振梁2-1。工作时，第一谐振器1和第二谐振器2分别通过第一驱动电极1-3和第二驱动电极2-3进行静电驱动；第一谐振器1和第二谐振器2分别通过第一检测电极1-4和第二检测电极2-4进行振幅检测。

参照图3，本发明的基于弱耦合谐振器的流速传感器的制备方法，其步骤包括：

(a)对SOI硅片的器件层7进行旋涂光刻胶6并进行光刻，形成第一谐振器1、第二谐振器2、耦合结构3、第一锚点4-1、第二锚点4-2、第三锚点4-3、平板5需要刻蚀的区域；

(b)对SOI硅片的器件层7进行刻蚀形成第一谐振器1、第二谐振器2、耦合结构3、第一锚点4-1、第二锚点4-2、第三锚点4-3、平板5并去除光刻胶6；

(c)去除与第一谐振器1、第二谐振器2、耦合结构3及平板5下方连接的二氧化硅层8。

一种具体的基于弱耦合谐振器的流速传感器，传感器由SOI硅片制备，包括厚度为400μm的硅基底9，厚度为4μm的二氧化硅层8；第一谐振器1、第二谐振器2、耦合结构3、第一锚点4-1、第二锚点4-2、第三锚点4-3、平板5位于SOI硅片的器件层8，厚度为30μm，第一锚点5和第二锚点6分别通过二氧化硅层8固定于硅基底9；该实施例平板的长宽比为10，耦合结构的刚度为谐振器刚度的1/10，从而实现两个谐振器的弱耦合；

该示例传感器中第一谐振器和第二谐振器的结构如图1所示，其中第一谐振器包括一谐振梁1-1、第一质量块1-2、第一驱动电极1-3、第一检测电极1-4、第一调谐电极1-5，其中：第一质量块为工字形结构；第一谐振梁一端与平板5连接，另一端与第二锚点4-2连接；第一驱动电极1-3和第一检测电极1-4位于第一质量块1-2的内侧；第一调谐电极1-5位于第一谐振梁1-1的一侧；

第二谐振器包括第二谐振梁2-1、第二质量块2-2、第二驱动电极2-3、第二检测电极2-4、第二调谐电极2-5，其中：第二质量块为工字形结构；第二谐振梁与第三锚点4-3连接；第二驱动电极2-3和第二检测电极2-4位于第二质量块2-2的内侧；第二调谐电极2-5位于第二谐振梁2-1的一侧。

该实施例的传感器工作时，通过其中一个锚点给第一谐振器1和第二谐振器2施加直流电压，给第一驱动电极1-3和第二驱动电极2-3施加交流电压，当第一谐振器1、第二谐振器2与第一驱动电极1-3、第二驱动电极2-3形成电势差时，此时在第一驱动电极1-3、第二驱动电极2-3与第一谐振器1、第二谐振器2之间产生静电力，当施加的交流电压的频率与弱耦合谐振器的谐振频率相同时，第一谐振器1、第二谐振器2在静电力的作用下在谐振频率处产生运动位移，通过检测第一检测电极1-4和第二检测电极2-4的输出电流可以获得第一谐振器1和第二谐振器2的振幅，无气流作用时，第一谐振器1和第二谐振器2的振幅相等；

当气流作用于平板5时，通过检测第一谐振器1和第二谐振器2的振幅比可以获得气流的大小。

通过COMSOL软件对传感器的灵敏度进行仿真，通过求解弱耦合谐振器系统的特征频率获得两谐振器在不同气流下的振幅比和谐振频率的变化。仿真结果如图2所示，上述具体示例流速传感器基于频率输出的相对灵敏度为1×10