CN102297741B - 一种基于微电子机械技术的硅谐振式气压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微电子机械技术的硅谐振式气压传感器，主要由谐振梁膜硅片、下盖基片、支撑基片、金属管座和管帽组成。下盖基片与谐振梁膜硅片真空粘合形成参考真空腔，通过较小的支撑基片固定在金属管座上以隔离封装应力和热应力，待测大气与参考真空腔之间的压力差使压力膜上固支的微结构梁的轴向应力发生改变，从而改变梁的谐振频率，检测该谐振频率的变化实现气压的测量。本发明将谐振器置于待测气压介质中，大大降低封装难度并通过悬臂支撑隔离封装应力和热应力，具有制作封装简单、稳定性好等优点，适合高性能气压测量。

Description

一种基于微电子机械技术的硅谐振式气压传感器

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种硅谐振式气压传感器。

背景技术

基于微电子机械技术(MEMS)工艺的气压传感器主要分为压阻式、电容式以及谐振式等三大类。微机械谐振式压力传感器因其精度高、稳定性好、体积小、易批量生产等一些优良的特性，被誉为新一代的压力传感器，是微电子机械(MEMS)技术继压阻式压力传感器之后的又一项典型应用。比较国际上已经实用化的几种谐振式压力传感器，有一个共同的特点就是，谐振器工作于高真空环境中，制作工艺要求太高，比如日本横河公司的电磁激励谐振式压力传感器就要求实现片上高真空密封，而且片上真空密封还存在电极引线以及电绝缘等问题，芯片与管座之间的封装存在机械应力以及热应力的有效隔离问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微电子机械技术的硅谐振式气压传感器，以克服现有技术的不足。

为实现所述目的，本发明提供如下技术解决方案：

一种基于微电子机械技术的硅谐振式气压传感器，其包括谐振梁膜硅片、下盖基片、支撑基片、金属管座和管帽；其中，金属管座上置有多个管针，并有一贯通的导气孔；支撑基片下表面固定在金属管座上，上表面与下盖基片下表面连接，下盖基片上表面与谐振梁膜硅片连接，其中间部分形成真空参考腔；管帽盖在金属管座上，管帽下端与金属管座周缘密封固接；

多个传感器引线分别由管针上端引出，与谐振梁膜硅片的金属电极连接。

所述的硅谐振式气压传感器，其所述谐振梁膜硅片是梁膜一体结构，材料是单晶硅，包括方形框架、压力膜、多根支撑柱和多组谐振梁(12)；方形框架下表面与下盖基片上表面固接，多组谐振梁和压力膜通过对同一硅片的正反两面进行的选择性刻蚀形成，同时，方形框架(9)、多根支撑柱在刻蚀工艺中成形；压力膜剖面形状呈C型杯状，周缘与方形框架内侧壁固接，多组谐振梁两端与方形框架上表面固接，每组谐振梁与压力膜之间通过多根硅支撑柱支撑。

所述的硅谐振式气压传感器，其所述管帽的内顶面上固设有永磁体，谐振梁的激励方式是电磁激励，由永磁体提供垂直于硅片平面方向的磁场，驱动谐振梁沿硅片平面方向横向振动。

所述的硅谐振式气压传感器，其所述下盖基片材料是单晶硅或键合玻璃；通过硅-玻璃真空键合或硅-硅真空粘性键合，下盖基片、方型框架、谐振梁膜硅片结合成一体，围成真空参考腔。

所述的硅谐振式气压传感器，其所述支撑基片材料是单晶硅或键合玻璃，其尺寸小于下盖基片，其上表面与下盖基片下表面粘合在一起，下表面与金属管座上表面粘合在一起；支撑基片位于下盖基片的一角，对谐振梁膜硅片和下盖基片的组合体形成悬臂支撑。

所述的硅谐振式气压传感器，其所述永磁体通过粘性胶与管帽内顶面粘合在一起；管帽下端通过粘性胶与金属管座周缘粘合在一起。

所述的硅谐振式气压传感器，其所述压力膜上固支多组谐振梁，为四组，每组为一条梁，用于差分检测；多根支撑柱，每条梁至少为三根支撑柱。

本发明的特点：

1、下盖基片与谐振梁膜硅片通过圆片级真空键合形成参考真空腔，硅谐振梁工作于待测大气介质中，解决真空密封、电极引线以及电绝缘等问题，大大降低封装难度。待测大气与参考真空腔之间的压力差使压力膜上固支的微结构梁的轴向应力发生改变，从而改变梁的谐振频率，检测该谐振频率的变化实现气压的测量。

2、由于压力膜的位移方向垂直于硅片平面方向，采用横向振动模式，可有效减小压力膜的运动与谐振梁的振动之间的耦合干扰，减小结构阻尼；采用电磁激励，可避免静电激励电容检测要求的极小的电容间隙，给谐振梁的振动提供较大的空间，极大地减小压膜阻尼。电磁激励横向振动模式使谐振器在大气介质中具有较高的品质因数，无需真空密封亦可保证较好的性能，满足大气气压的测量需求。

3、在硅压力膜上固支多组谐振梁，采用差分检测，提高灵敏度，减小非线性度，通过较小的支撑基片固定在金属管座上对传感器芯片进行悬臂支撑，有效隔离封装应力和热应力，进一步提高器件稳定性。

附图说明

图1是本发明是一种基于微电子机械技术的硅谐振式气压传感器结构示意图；其中：金属管座1、支撑基片2、下盖基片3、谐振梁膜硅片4、管帽5、导气孔6、管针7、真空参考腔8、方形框架9、压力膜10、支撑柱11、谐振梁12、永磁体13、引线14。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

一种基于微电子机械技术的硅谐振式气压传感器，其包括谐振梁膜硅片4、下盖基片3、支撑基片2、金属管座1和管帽5；其中，金属管座1上置有多个管针7，并有一贯通的导气孔6；支撑基片2下表面固定在金属管座1上，上表面与下盖基片3下表面连接，下盖基片3上表面与谐振梁膜硅片4连接，其中间部分形成真空参考腔8；管帽5盖在金属管座1上，管帽5下端与金属管座1周缘密封固接；

多个传感器引线14分别由管针7上端引出，与谐振梁膜硅片4的金属电极连接。

谐振梁膜硅片4是梁膜一体结构，材料是单晶硅，包括方形框架9、压力膜10、多根支撑柱11和四组谐振梁12；方形框架9下表面与下盖基片3上表面固接，四组谐振梁12和压力膜10通过对同一硅片的正反两面进行的选择性刻蚀形成，同时，方形框架9、多根支撑柱11在刻蚀工艺中成形；压力膜10剖面形状呈C型杯状，周缘与方形框架9内侧壁固接，四组谐振梁12两端与方形框架9上表面固接，每组谐振梁12有一条梁，梁的下表面与压力膜10之间通过三根硅支撑柱11支撑。

永磁体13通过粘性胶与管帽5内顶面粘合在一起；管帽5下端通过粘性胶与金属管座1周缘粘合在一起。谐振梁12的激励方式是电磁激励，由永磁体13提供垂直于硅片平面方向的磁场，驱动谐振梁12沿硅片平面方向横向振动。

下盖基片3材料是单晶硅或键合玻璃；通过硅-玻璃真空键合或硅-硅真空粘性键合，下盖基片3、方型框架9、谐振梁膜硅片4结合成一体，围成真空参考腔8。

支撑基片2材料是单晶硅或键合玻璃，其尺寸小于下盖基片3，其上表面与下盖基片3下表面粘合在一起，下表面与金属管座1上表面粘合在一起；支撑基片2位于下盖基片3的一角，对谐振梁膜硅片4和下盖基片3的组合体形成悬臂支撑。

本发明提出的硅谐振式气压传感器的一种制作方法：

1、取SOI硅片，表面氧化，下表面光刻并刻蚀出C型杯状压力膜10和方形框架9。

2、SOI硅片上表面溅射金属电极并图形化，光刻并深刻蚀至SOI内部氧化层，得到谐振梁12。

3、HF缓冲溶液释放谐振梁12得到支撑柱11，完成谐振梁膜硅片4的制作。

4、谐振梁膜硅片4通过方形框架9与下盖基片3进行圆片级真空键合并形成真空参考腔8，完成键合圆片的制作。

5、将第4步得到的键合圆片进行划片分割，得到气压传感器小芯片，在气压传感器小芯片背面一个角上用环氧胶与支撑基片2粘合，再与可伐金属管座1粘合。

6、引线压焊，圆形钐钴永磁体13粘在可伐管帽5上，盖在可伐金属管座1，可伐管帽5与管座1之间用环氧胶粘接。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于微电子机械技术的硅谐振式气压传感器，其特征在于：包括谐振梁膜硅片(4)、下盖基片(3)、支撑基片(2)、金属管座(1)和管帽(5)；其中，金属管座(1)上置有多个管针(7)，并有一贯通的导气孔(6)；支撑基片(2)下表面固定在金属管座(1)上，上表面与下盖基片(3)下表面连接，下盖基片(3)上表面与谐振梁膜硅片(4)连接；谐振梁膜硅片(4)下表面通过选择性刻蚀形成方形框架(9)和压力膜(10)的下表面，方形框架(9)下表面与下盖基片(3)通过真空键合的方式固接，压力膜(10)的下表面、方形框架(9)内侧与下盖基片(3)上表面形成真空参考腔(8)；管帽(5)盖在金属管座(1)上，管帽(5)下端与金属管座(1)周缘密封固接；

多个传感器引线(14)分别由管针(7)上端引出，与谐振梁膜硅片(4)的金属电极连接。

2.如权利要求1所述的硅谐振式气压传感器，其特征在于：所述谐振梁膜硅片(4)是梁膜一体结构，材料是单晶硅，包括方形框架(9)、压力膜(10)、多根支撑柱(11)和多组谐振梁(12)；方形框架(9)下表面与下盖基片(3)上表面固接，多组谐振梁(12)和压力膜(10)通过对同一硅片的正反两面进行的选择性刻蚀形成，同时，方形框架(9)、多根支撑柱(11)在刻蚀工艺中成形；压力膜(10)剖面形状呈C型杯状，周缘与方形框架(9)内侧壁固接，多组谐振梁(12)两端与方形框架(9)上表面固接，每组谐振梁(12)与压力膜(10)之间通过多根硅支撑柱(11)支撑。

3.如权利要求1或2所述的硅谐振式气压传感器，其特征在于：所述管帽(5)的内顶面上固设有永磁体(13)，谐振梁(12)的激励方式是电磁激励，由永磁体(13)提供垂直于硅片平面方向的磁场，驱动谐振梁(12)沿硅片平面方向横向振动。

4.如权利要求1所述的硅谐振式气压传感器，其特征在于：所述下盖基片(3)材料是单晶硅或键合玻璃；通过硅-玻璃真空键合或硅-硅真空粘性键合，下盖基片(3)、方型框架(9)、谐振梁膜硅片(4)结合成一体，围成真空参考腔(8)。

5.如权利要求1所述的硅谐振式气压传感器，其特征在于：所述支撑基片(2)材料是单晶硅或键合玻璃，其尺寸小于下盖基片(3)，其上表面与下盖基片(3)下表面粘合在一起，下表面与金属管座(1)上表面粘合在一起；支撑基片(2)位于下盖基片(3)的一角，对谐振梁膜硅片(4)和下盖基片(3)的组合体形成悬臂支撑。

6.如权利要求3所述的硅谐振式气压传感器，其特征在于：所述永磁体(13)通过粘性胶与管帽(5)内顶面粘合在一起；管帽(5)下端通过粘性胶与金属管座(1)周缘粘合在一起。

7.如权利要求2所述的硅谐振式气压传感器，其特征在于：所述压力膜(10)上通过多根支撑柱(11)固支多组谐振梁(12)，选取其中两组用于差分检测。

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