CN102809450B - 一种硅微谐振式压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种硅微谐振式压力传感器及其制作方法，涉及一种压力传感器。提供一种基于滑膜阻尼和双压力膜结构的硅微谐振式压力传感器及其制作方法。设有压力敏感层、谐振结构层、真空封装盖帽层和引线电极，所述压力敏感层的边框上部与谐振结构层边框的下部相连，压力敏感层上部边框内设有2个压力膜并形成2个放置平行硅岛的空腔，硅岛的顶端与谐振结构层上的第1传递梁和第2传递梁相连，2个空腔之间具有沟道，使谐振结构层上的第1谐振梁、第2谐振梁、第1质量块和第2质量块有自由振动的空间，谐振结构层的边框上部与真空封装盖帽层的下部边框相连，盖帽层下部边框内形成空腔，真空封装盖帽层上开有引线孔，引线电极通过引线孔与谐振结构层相连。

Description

一种硅微谐振式压力传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及一种基于滑膜阻尼和双压力膜结构的硅微谐振式压力传感器及其制作方法。

背景技术

基于微机电（MEMS）技术的硅微谐振式压力传感器是目前精度最高的硅微压力传感器，它通过检测结构的固有频率间接测量压力，为准数字信号输出，既能与计算机直接相连，也容易组成直接显示数字的仪表。硅微谐振式传感器的精度主要受振动结构机械特性的影响，因此其抗电子干扰能力很强，性能稳定。除此之外，硅微谐振式压力传感器还具有响应快、频带宽、功耗低、结构紧凑、体积小、重量轻、可批量生产等众多优点，一直是各国研究和开发的热点。

在硅微谐振式压力传感器发展方面，英国DRUCK公司的RPT系列和日本横河电机株式会社的H桥型谐振式压力传感器已实现商业化的生产。尤其是RPT系列的硅微谐振式压力传感器经过30多年的发展，已被广泛应用于航空航天、大气数据采集等方面，此系列传感器的基本原理是压力敏感膜在外界压力作用下产生形变，这种形变经过固定在压力敏感膜上的硅岛放大，再传递到与谐振子相连的谐振梁上，导致谐振梁的刚度等发生变化，进而影响谐振结构面外振动的谐振频率，此谐振频率通过电容检测等方法被外围电路获得，从而建立了输出频率和输入压力的关系，但是此类传感器因谐振结构需克服压膜阻尼的影响，其品质因子对封装真空度的依赖性较强。我国西北工业大学的苑伟政教授等人发明了一种新的硅微谐振式压力传感器（任森，苑伟政，乔大勇，王玉朝，吕湘连.基于滑膜差动结构的硅微谐振式压力传感器及其制作方法，中国专利200910023322.7），其工作原理是基于滑膜阻尼和电容检测，以此简化了制作工艺和版图设计，降低了高真空封装的要求，但此种硅微谐振式压力传感器因为敏感膜位置太靠近谐振结构，导致起放大作用的支撑柱太短，使得传感器的灵敏度远低于RPT系列。

发明内容

本发明的目的在于为了充分利用硅岛的放大作用，同时谐振结构克服滑膜阻尼在面内振动以获得较高的品质因子，提供一种基于滑膜阻尼和双压力膜结构的硅微谐振式压力传感器及其制作方法。

本发明设有压力敏感层、谐振结构层、真空封装盖帽层和引线电极，所述压力敏感层的边框上部与谐振结构层边框的下部相连，压力敏感层上部边框内设有2个压力膜并形成2个放置平行硅岛的空腔，硅岛的顶端与谐振结构层上的第1传递梁和第2传递梁相连，2个空腔之间具有沟道，使谐振结构层上的第1谐振梁、第2谐振梁、第1质量块和第2质量块有自由振动的空间，谐振结构层的边框上部与真空封装盖帽层的下部边框相连，盖帽层下部边框内形成空腔，真空封装盖帽层上开有引线孔，引线电极通过引线孔与谐振结构层相连。

所述压力膜距离压力敏感层的下部有一定距离，所述压力膜的形状可为矩形或正方形，压力膜的厚度可根据量程和灵敏度要求在工艺允许范围内进行调整。

所述硅岛在每个压力膜上对称分布一对。

所述谐振结构层设有边框、第1扭转梁、第2扭转梁、第1传递梁、第2传递梁、第1平衡块、第2平衡块、第1定齿、第2定齿、第1支撑梁、第2支撑梁、第1谐振梁、第2谐振梁、第1面外位移限制梁、第2面外位移限制梁、第3面外位移限制梁、第4面外位移限制梁、第1双边带梳齿质量块和第2双边带梳齿质量块；所述第1传递梁、第2传递梁与硅岛相连，连接部分靠近硅岛与边框相近的一侧，并且通过第1扭转梁和第2扭转梁相互连接；第1传递梁和第2传递梁与第1谐振梁和第2谐振梁通过第1支撑梁和第2支撑梁连接；所述第1双边带梳齿质量块和第2双边带梳齿质量块位于第1谐振梁和第2谐振梁的中间位置，第1双边带梳齿质量块和第2双边带梳齿质量块的一侧与第1定齿构成驱动梳齿对，第1双边带梳齿质量块和第2双边带梳齿质量块的另一侧与第2定齿构成检测梳齿对；第1面外位移限制梁、第2面外位移限制梁、第3面外位移限制梁和第4面外位移限制梁限制第1谐振梁和第1谐振梁的面外位移。

所述第1传递梁和第2传递梁可以与2个压力膜外侧的硅岛相连，构成给第1谐振梁和第2谐振梁传递拉应力的双压力膜结构，此种情况下第1谐振梁和第2谐振梁的固有频率随压力增大而增大，检测梳齿对检测到的输出信号也随之增大；第1传递梁和第2传递梁也可以与所述2个压力膜内侧的硅岛相连，构成给第1谐振梁和第2谐振梁传递压应力的双压力膜结构，此种情况下第1谐振梁和第2谐振梁的固有频率随压力增大而减小，检测梳齿对检测到的输出信号也随之减小；如上所述两种工作方式的双膜结构可以组合使用，构成输出差分频率的四压力膜结构，以提高传感器的灵敏度。

所述硅微谐振式压力传感器的制作方法包括以下步骤：

1）取双面抛光硅片，在下表面用湿法腐蚀得到硅岛以及第1谐振梁、第2谐振梁、第1质量块和第2质量块自由振动的空间，并将硅片双面氧化得到氧化层；

2）取上表面单面抛光硅片进行氧化，与氧化后的硅片进行硅硅键合，并将硅片的上表面减薄；

3）用反应离子刻蚀的方法在减薄后的硅片上刻蚀，形成谐振结构层；

4）将腐蚀出凹槽并开完电极引线孔的真空封装盖帽层与硅片的上表面进行阳极键合，并在电极引线孔上溅射金属引线电极；

5）将硅片下表面的氧化层开窗并湿法腐蚀氧化层下的硅，得到压力膜，完成所述硅微谐振式压力传感器的制作。

本发明的有益效果是：

1）双压力膜的设计为克服滑膜阻尼运动的2个谐振梁、2个质量块提供足够的放置空间；2个扭转梁、2个支撑梁、2个面外位移限制梁的设计使2块质量块由于扭转力产生的面外位移大大减小，降低了外围闭环自激电路的设计难度，使输出信号更加稳定。

2）2个传递梁与硅岛相连的一端靠近硅岛与边框相连的一侧，并且通过2个扭转梁相互连接，传感器的量程大大增加。

3）由于2块质量块克服滑膜阻尼做谐振运动，谐振结构的品质因子对封装真空度的依赖性较小，而且传感器最终进行圆片级真空封装，谐振结构的品质因子会大大提高。

4）若采用输出差分频率的四膜结构，传感器的灵敏度会成倍增加，输出信号的信噪比提高，电路检测难度则大大降低。

5）工艺上采用硅硅键合技术和阳极键合技术，使工艺复杂程度大大降低，成品量增加的同时，生产效率大幅提高。

附图说明

图1为本发明所述硅微谐振式压力传感器实施例的整体结构示意图；

图2为图1所述一种结构方案的内部谐振梁受拉应力时部分结构剖视图；

图3为图1所述一种结构方案的内部谐振梁受压应力时部分结构剖视图；

图4为图2所述内部谐振梁受拉应力结构方案的谐振结构层整体俯视图；

图5为图4所述谐振结构层部分I放大视图；

图6为图3所述内部谐振梁受压应力结构方案的谐振结构层整体俯视图；

图7为图6所述谐振结构层部分II放大视图；

图8为图2和图3两种结构方案组合成四压力膜结构实施方案的整体结构示意图；

图9为图8所述四压力膜结构方案的部分结构剖视图；

图10为本发明提出的谐振结构层如图4的硅微谐振式压力传感器的制作方案；

图11为本发明提出的谐振结构层如图6的硅微谐振式压力传感器的制作方案。

在图1～11中，各标记为：

1：压力敏感层，2：谐振结构层，3：真空封装盖帽层，4：引线电极；

11：压力膜，12：硅岛；

21.边框；

第1扭转梁22A、第1扭转梁22B；

第1传递梁23A、第2传递梁23B；

第1平衡块24A、第2平衡块24B；

第1定齿25A、第1定齿25B；

第1支撑梁26A、第2支撑梁26B；

第1谐振梁27A、第2谐振梁27B；

第1面外位移限制梁28A、第2面外位移限制梁28B、第3面外位移限制梁28C、第4面外位移限制梁28D；

第1质量块29A、第1质量块29B；

第1三路不同引线电极4A、第2三路不同引线电极4B、第3三路不同引线电极4C；

g1：双面抛光硅片，g2：单面抛光硅片，g11：氧化层。

具体实施方式

参见图1～7，本发明实施例设有压力敏感层1、谐振结构层2、真空封装盖帽层3和引线电极4，所述压力敏感层1的边框上部与谐振结构层2边框21的下部相连，压力敏感层1上部边框内设有2个压力膜11并形成2个放置平行硅岛12的空腔，硅岛12的顶端与谐振结构层2上的第1传递梁23A和第2传递梁23B相连，2个空腔之间具有沟道，使谐振结构层2上的第1谐振梁27A、第2谐振梁27B、第1质量块29A和第2质量块29B有自由振动的空间，谐振结构层2的边框21上部与真空封装盖帽层3的下部边框相连，盖帽层下部边框内形成空腔，真空封装盖帽层3上开有引线孔，引线电极4通过引线孔与谐振结构层2相连。

所述压力膜11距离压力敏感层1的下部有一定距离，所述压力膜11的形状可为矩形或正方形，压力膜11的厚度可根据量程和灵敏度要求在工艺允许范围内进行调整。

所述硅岛12在每个压力膜11上对称分布一对。

所述谐振结构层2设有边框21、第1扭转梁22A、第2扭转梁22B、第1传递梁23A、第2传递梁23B、第1平衡块24A、第2平衡块24B、第1定齿25A、第2定齿25B、第1支撑梁26A、第2支撑梁26B、第1谐振梁27A、第2谐振梁27B、第1面外位移限制梁28A、第2面外位移限制梁28B、第3面外位移限制梁28C、第4面外位移限制梁28D、第1双边带梳齿质量块29A和第2双边带梳齿质量块29B；所述第1传递梁23A、第2传递梁23B与硅岛12相连，连接部分靠近硅岛12与边框21相近的一侧，并且通过第1扭转梁22A和第2扭转梁22B相互连接；第1传递梁23A和第2传递梁23B与第1谐振梁27A和第2谐振梁27B通过第1支撑梁26A和第2支撑梁26B连接；所述第1双边带梳齿质量块29A和第2双边带梳齿质量块29B位于第1谐振梁27A和第2谐振梁27B的中间位置，第1双边带梳齿质量块29A和第2双边带梳齿质量块29B的一侧与第1定齿15A构成驱动梳齿对，第1双边带梳齿质量块29A和第2双边带梳齿质量块29B的另一侧与第2定齿15B构成检测梳齿对；第1面外位移限制梁28A、第2面外位移限制梁28B、第3面外位移限制梁28C和第4面外位移限制梁28D限制第1谐振梁27A和第1谐振梁27B的面外位移。

所述第1传递梁23A和第2传递梁23B可以与2个压力膜11外侧的硅岛12相连，构成给第1谐振梁27A和第2谐振梁27B传递拉应力的双压力膜结构，此种情况下第1谐振梁27A和第2谐振梁27B的固有频率随压力增大而增大，检测梳齿对检测到的输出信号也随之增大；第1传递梁23A和第2传递梁23B也可以与所述2个压力膜11内侧的硅岛12相连，构成给第1谐振梁27A和第2谐振梁27B传递压应力的双压力膜结构，此种情况下第1谐振梁27A和第2谐振梁27B的固有频率随压力增大而减小，检测梳齿对检测到的输出信号也随之减小。

参见图8和图9，如上所述两种工作方式的双膜结构可以组合使用，构成输出差分频率的四压力膜结构，以提高传感器的灵敏度。

参见图10和图11，所述硅微谐振式压力传感器的制作方法包括以下步骤：

1）取双面抛光硅片g1，在下表面用湿法腐蚀得到硅岛12以及第1谐振梁27A、第2谐振梁27B、第1质量块29A和第2质量块29B自由振动的空间，并将硅片g1双面氧化得到氧化层g11；

2）取上表面单面抛光硅片g2进行氧化，与氧化后的硅片g1进行硅硅键合，并将硅片g2的上表面减薄；

3）用反应离子刻蚀的方法在减薄后的硅片g2上刻蚀，形成谐振结构层2；

4）将腐蚀出凹槽并开完电极引线孔的真空封装盖帽层3与硅片g2的上表面进行阳极键合，并在电极引线孔上溅射金属引线电极4；

5）将硅片g1下表面的氧化层g11开窗并湿法腐蚀氧化层下的硅，得到压力膜11，完成所述硅微谐振式压力传感器的制作。

以下给出基于滑膜阻尼和双压力膜结构的硅微谐振式压力传感器的工作原理：

当外界压力作用在双压力膜或四压力膜上时，压力膜发生形变，带动硅岛发生偏转，2个传递梁被拉伸或是压缩，从而导致2个谐振梁的内应力和刚度发生变化，进而使2个谐振梁的固有频率发生改变。引线电极与外部电路连接，通过第1三路不同引线电极4A、第2三路不同引线电极4B、第3三路不同引线电极4C引入三路电信号，第1三路不同引线电极4A通过2个支撑梁、2个谐振梁与2块谐振质量块电连接，第2三路不同引线电极4B与第1定齿电连接，第3三路不同引线电极4C与第2定齿电连接。通过驱动梳齿对和检测梳齿对的静电激励、电容检测，传感器输出与外界压力成一定比例关系的频率信号。

Claims (6)

1.一种硅微谐振式压力传感器，其特征在于设有压力敏感层、谐振结构层、真空封装盖帽层和引线电极，所述压力敏感层的边框上部与谐振结构层边框的下部相连，压力敏感层上部边框内设有2个压力膜并形成2个放置平行硅岛的空腔，硅岛的顶端与谐振结构层上的第1传递梁和第2传递梁相连，2个空腔之间具有沟道，使谐振结构层上的第1谐振梁、第2谐振梁、第1质量块和第2质量块有自由振动的空间，谐振结构层的边框上部与真空封装盖帽层的下部边框相连，盖帽层下部边框内形成空腔，真空封装盖帽层上开有引线孔，引线电极通过引线孔与谐振结构层相连；

所述谐振结构层设有边框、第1扭转梁、第2扭转梁、第1传递梁、第2传递梁、第1平衡块、第2平衡块、第1定齿、第2定齿、第1支撑梁、第2支撑梁、第1谐振梁、第2谐振梁、第1面外位移限制梁、第2面外位移限制梁、第3面外位移限制梁、第4面外位移限制梁、第1双边带梳齿质量块和第2双边带梳齿质量块；所述第1传递梁、第2传递梁与硅岛相连，连接部分靠近硅岛与边框相近的一侧，并且通过第1扭转梁和第2扭转梁相互连接；第1传递梁和第2传递梁与第1谐振梁和第2谐振梁通过第1支撑梁和第2支撑梁连接；所述第1双边带梳齿质量块和第2双边带梳齿质量块位于第1谐振梁和第2谐振梁的中间位置，第1双边带梳齿质量块和第2双边带梳齿质量块的一侧与第1定齿构成驱动梳齿对，第1双边带梳齿质量块和第2双边带梳齿质量块的另一侧与第2定齿构成检测梳齿对；第1面外位移限制梁、第2面外位移限制梁、第3面外位移限制梁和第4面外位移限制梁限制第1谐振梁和第1谐振梁的面外位移。

2.如权利要求1所述的一种硅微谐振式压力传感器，其特征在于所述压力膜的形状为矩形或正方形。

3.如权利要求1所述的一种硅微谐振式压力传感器，其特征在于所述硅岛在每个压力膜上对称分布一对。

4.如权利要求1所述的一种硅微谐振式压力传感器，其特征在于所述第1传递梁和第2传递梁与2个压力膜外侧的硅岛相连，构成给第1谐振梁和第2谐振梁传递拉应力的双压力膜结构。

5.如权利要求1所述的一种硅微谐振式压力传感器，其特征在于第1传递梁和第2传递梁与所述2个压力膜内侧的硅岛相连，构成给第1谐振梁和第2谐振梁传递压应力的双压力膜结构。

6.如权利要求1所述的一种硅微谐振式压力传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

1)取双面抛光硅片，在下表面用湿法腐蚀得到硅岛以及第1谐振梁、第2谐振梁、第1质量块和第2质量块自由振动的空间，并将硅片双面氧化得到氧化层；

2)取上表面单面抛光硅片进行氧化，与氧化后的硅片进行硅硅键合，并将硅片的上表面减薄；

3)用反应离子刻蚀的方法在减薄后的硅片上刻蚀，形成谐振结构层；

4)将腐蚀出凹槽并开完电极引线孔的真空封装盖帽层与硅片的上表面进行阳极键合，并在电极引线孔上溅射金属引线电极；

5)将硅片下表面的氧化层开窗并湿法腐蚀氧化层下的硅，得到压力膜，完成所述硅微谐振式压力传感器的制作。