7. Результаты и обсуждение

7.1. Способы колебания

Измерения скрытых структур показали устройство, чтобы колебаться больше чем в одном отличном способе

колебание (то есть датчик вариантов № 2 с антидемпфированием отверстий имел ясные пики резонанса в 31 537 и 35 078 гц). Фаза каждого угла была измерена электрически, и это могло быть проверено, что частота, имеющая самую высокую амплитуду и самый большой Q, составила уравновешенный относящийся к скручиванию способ колебания, так как смежные углы были 180 ◦ несовпадающий по фазе (см. рисунок 3). Соответствие пика резонанса относящемуся к скручиванию способу было объявлено, когда датчики были взволнованы.

7.2. Q фактор

Экспериментальные и теоретические факторы Qдля каждого проверенного датчика в относящемся к скручиванию способе колебания получены в итоге в таблице 3. Как может быть замечен по результатам эксперимента, у версии № 2 датчика (с антидемпфированием отверстий) есть значительно более высокий факторQчем версия № 1 датчика (тот же самый датчик размера, не антизаглушая отверстия). Поэтому, проектирование отверстий в углах резонатора эффективно уменьшаетsqueezedfilmampingэффекты. Как может быть замечен по таблице 3, теоретические факторыQотличаются от экспериментальных значений

для датчиков. Мы полагаем, что это происходит из-за изменения в истинном давлении герметизации. Герметизация в близком вакууме (10−6 mbar) может привести к столь же низко как 1mbarистинное давление герметизации [7] (из-заoutgassingот стакана); однако, немного большие давления часто понимаются. Заштрихованная область в рисунке 4 иллюстрирует эффект очень небольшого абсолютного изменения в давлении герметизации (от 1mbarдо 2mbar). Как может быть замечен, взвешенный факторQдля версии № 2 датчика находится в пределах этого диапазона. Это можно также показать от фактораQ-nti-демпфирование кривой отверстия, соответствующей версии № 3 датчика, что экспериментальный факторQнаходится в пределах диапазона, если истинное давление герметизации было 7mbar.

По сравнению с ранее представленным основанным на форме датчиком давления (эксплуатационный фактор Q2600), версия № 2 датчика показала значительно улучшенный эксплуатационный факторQ.

7.3. Чувствительность давления

Все датчики были измерены для оказанного давления между 0.1 mbar и 1500 mbar. Датчики обеспечивают непрерывную продукцию и для положительных и для отрицательных дифференциалов давления. Граф в рисунке 14 показывает очень линейную зависимость давления для версии № 2 датчика (5-миллиметровая капсула с антидемпфированием отверстий).

Хотя продукция частоты для версии № 1 датчика также почти абсолютно линейна, тот из самого большого датчика (версия № 3) показывает немного логарифмические отношения, как может быть замечен в рисунке 15. Так как зависимость давления для резонансной структуры не линейна, мы можем прийти к заключению, что продукция действительно не линейна для любого из устройств, но становится последовательно более очевидной для структур с большим размером и чувствительностью давления. Таблица 3 суммирует чувствительность давления в атмосферном давлении и частотах резонанса проверенных датчиков. Как ожидалось частота резонанса ниже для больших структур, так как структура имеет большую массу и менее жестка. Различие в частоте резонанса между рисунком 14 вариантов. Частота резонанса против оказанного давления для самого маленького датчика с антидемпфированием отверстий (версия № 2). Рисунок 15. Частота резонанса против оказанного давления для самого большого датчика (версия № 3). № 1 и № 2 также ожидаются, так как у версии № 2 есть отверстия антидемпфирования в его углах, который уменьшает массу в структуре и таким образом приводит к более высокой частоте резонанса. Можно заметить, что относительная чувствительность давления увеличивается с увеличивающимся размером. У самого большого датчика есть относительная чувствительность давления 140 ppm mbar−1 (наличие 10-миллиметрового мембранного диаметра), который больше чем сопоставимая нескрытая форма резонансный датчик, имеющий чувствительность давления 75 ppm mbar−1 (наличие 15-миллиметрового мембранного диаметра) [5]. Это показывает, что даже у недавно разработанного датчика меньшего размера (который неотъемлемо менее чувствителен) есть более высокая чувствительность давления чем предыдущие более крупные датчики. Те же самые датчики размера (versionsNo1 andNo2) с и без отверстий отличаются по относительной чувствительности давления, которая происходит из-за различия в частоте резонанса и небольшого изменения в мембранной толщине из-за изменений фальсификации. Никакой существенный гистерезис не наблюдался ни для одного из проверенных устройств.

7.4. Температурная чувствительность и компенсацияТемпературная чувствительность датчиков была измерена, имеющим образом сопротивление нагревая медную пластину, помещенную в контакт с датчиком. Частота против температурных измерений показала версию № 1 датчика, чтобы иметь очень низкую температурную зависимость −34 ppm◦C−1, видеть рисунок 16, и наиболее вероятно должна температурная зависимость Янга, и постригите модули для кремния [14]. Подобные результаты могут также ожидаться для другого

версии датчика, так как они очень подобны в дизайне

8. ЗаключениеНесколько проектов низкого давления заключали в капсулу резонансный

датчик давления был представлен. Датчики основаны на принципе, что, поскольку форма датчика изменяется из-за давления, частота резонанса также изменяется. Датчики продемонстрировали улучшенную работу по сравнению с предыдущими, более крупными, нескрытыми основанными на форме датчиками из-за улучшенного дизайна. У самого маленького датчика, имея антидемпфирование отверстий, есть фактор Q 14 000, полный размер 13.9 мм × 12.4 мм × 1.6 мм, ожидал температурную зависимость −34 ppm ◦C−1, и чувствительность давления 15 ppm mbar−1 по широкому диапазону давления. У большинства давления чувствительный датчик была чувствительность 140 ppm mbar−1 и внешние измерения 1.85 × 1.55 × 1.6 см. Датчики были полностью изготовлены, используя последовательность нескольких

Гравюра DRIE, соединение сплава, и анодные шаги соединения

и была партия, заключенная в капсулу с интегрированными электродами, используемыми для возбуждения и обнаружения. Технология 'Взрыва' использовалась, чтобы электрически взволновать и обнаружить способы резонанса и частоты резонанса. Были выполнены непрерывные измерения давления с контролем за обратной связью.

Признание Авторы хотят благодарить Kjell Nor´en за его квалифицированную помощь, измеряя работу устройства, используя технологию 'взрыва'.

Список Литературы

[1] Greenwood J C 1993 Resonant pressure sensors IEE

Colloquium on Measurement Using Resonant Sensing

pp 1–2

[2] Suresh S 1998 Fatigue of Materials (Cambridge: Cambridge

University Press) p 169

[3] Stemme E and Stemme G 1990 A balanced dual-diaphragm

resonant pressure sensor in silicon IEEE Trans. Electron

Devices 37 639–47

[4] Bryzek J and Mallon J R 1997 Silicon resonant pressure

sensors—a market perspective Sensors Mater. 9 473–500

[5] Stemme E and Stemme G 1992 A capacitively excited and

detected resonant pressure sensor with temperature

compensation Sensors Actuators A 32 639–47

[6] Corman T, Enoksson P, Nor.en K and Stemme G 1999 Novel

burst technology for closed loop detection and excitation

of resonant silicon sensors Transducers ’99 (Sendai,

Japan) pp 1402–5

[7] Corman T, Enoksson P and Stemme G Gas damping of

electrically excited resonators Sensors Actuators A 61

249–55

[8] Beeby S P and Tudor M J 1998 Mechanical design of

micromachined silicon resonators Eurosensors XII

(Southampton) pp 385–8

[9] Stemme G 1991 Resonant silicon sensors J. Micromech.

Microeng. 1 113–25

[10] Yang V J and Senturia S D 1996 Numerical simulation of

compressible squeezed-film damping Solid-State Sensor

and Actuator Workshop (Hilton Head, SC) pp 76–69

[11] Melin J 1999 Development of an encapsulated pressure

sensor fabricated using DRIE BASc. Thesis Simon Fraser

University

[12] Blevins R D 1979 Formulas for Natural Frequency and

Mode Shape (Princeton, NJ: Van Nostrand Reinhold)

[13] Tilmans H A C and Bouwstra S 1997 Excitation and

detection of silicon-based micromechanical resonators

Sensors Mater. 9 521–40

[14] Buser R A and De Rooij N F 1989 Resonant silicon

structures Sensors Actuators 17 145–54

[15] Enoksson P, Stemme G and Stemme E 1996 Vibration modes

of a resonant silicon tube density sensor

J. Microelectromechan. Syst. 5 39–44