CN103105248B - 一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器,包括壳体,壳体的空腔通过压力孔与大气相通,壳体空腔内配置有传感器芯片,传感器芯片包括石英梁、硅基底和玻璃基底,玻璃基底的进气孔与壳体底部的压力孔正对,硅基底与玻璃基底封接,石英梁基座粘接在硅基底的凸台上,石英梁基座上的压焊块和两电极引脚连接,压环和壳体上部螺纹连接,压环上的螺纹孔与壳体的空腔相连通,硅基底的背面腐蚀凹腔形成两个硅岛,利用石英的逆压电效应驱动石英梁自激振荡,当振动频率等于石英梁的固有频率时发生谐振,在闭环控制系统下对谐振频率进行检测,谐振频率的变化量表征待测气体压力的大小,从而实现外界气体压力的测量,具有高灵敏度、高精度、高分辨率的优点。

Description

一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器
技术领域
本发明涉及一种石英谐振式压力传感器,特别涉及一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器。
背景技术
市场上压力传感器主要有电容式、压阻式及谐振式,电容式和压阻式输出的是模拟量,必须应用高精度调理电路对微弱信号进行处理,这些因素必然导致测量精度下降;而谐振式压力传感器是利用压力变化来改变物体的谐振频率,从而通过测量频率变化来间接测量压力,其输出为准数字频率信号,具有测量精度高,灵敏度高、分辨率高、抗干扰能力强,并且适用于长距离传输而不会降低其精度等优点,比较适合对压力进行高精度检测。
石英谐振式压力传感器具有品质因数高、重复性好、没有迟滞、时间稳定性好、耐化学腐蚀等优点,成为谐振式传感器中常见的一种类型,但目前国内外市场上主要是采用传统机械加工的石英谐振式压力传感器,体积大并且很难实现对微压的高精度测量,尤其在生物医学、航天等对传感器体积、重量有严格要求的领域,传统机械加工的石英谐振式压力传感器表现出明显的不足。
利用MEMS技术制造的微压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性高等优点成为世界范围内具有战略性的研究领域。而目前国内外对MEMS谐振式压力传感器的研究主要是硅微谐振式压力传感器,传感器的弹性元件和敏感元件均采用硅材料,利用硅工艺加工,不足在于很难加工出复杂的高品质因数的谐振器结构,并且对谐振器的激励和检测都比较困难。
结合石英谐振式压力传感器和MEMS压力传感器的优点,本发明采用高精度石英梁作为谐振器,MEMS加工的硅基底作为压力转换元件,利用石英晶体的压电特性很容易实现对石英梁谐振器进行压电激励和压电检测,可广泛应用于风洞测试,航空航天等领域。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提出一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器,采用各向异性腐蚀和干法刻蚀技术制作硅基底和石英梁,具有高灵敏度、高精度、高分辨率的优点。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器,包括壳体1,壳体1的空腔与壳体1上底部的压力孔9连通,压力孔9与大气相通,壳体1空腔内配置有传感器芯片和两个电极引脚10,传感器芯片由上至下依次是石英梁5、硅基底7和玻璃基底8,玻璃基底8与壳体1的空腔底部用环氧树脂胶粘接,并且玻璃基底8的进气孔8-3与压力孔9对正,硅基底7与玻璃基底8通过胶粘接或静电键合封接在一起,石英梁5两端基座粘接在硅基底7对应的凸台上,石英梁5基座上的压焊块5-5、5-6和两电极引脚10通过超声热压焊用金丝6连接在一起,压环3和壳体1上部通过螺纹连接固定在一起,连接处设有弹性密封圈2,压环3上的螺纹孔4与壳体1的空腔相连通;
所述的硅基底7正面经过ICP刻蚀形成“工”字型凹槽7-3和两个相同的第一矩形凹槽7-4、第二矩形凹槽7-5,正面未被刻蚀区域形成了两个矩形粘接凸台7-1和7-2,第一矩形粘接凸台7-1上制作了第一对准标记7-6和第二对准标记7-7,第二矩形粘接凸台7-2上制作了第三对准标记7-8和第四对准标记7-9,硅基底7的背面腐蚀凹腔形成第一硅岛7-10和第二硅岛7-11,经正面和背面腐蚀后,硅基底7上的“工”字型凹槽7-3所对应的区域即构成压力敏感膜7-12。
所述的石英梁5由两端的基座5-1、5-2和中间腐蚀了矩形凹槽的两根单梁5-3、5-4构成,第一基座5-1上表面覆盖有第一压焊块5-5,第二基座5-2上表面覆盖有第二压焊块5-6,第一单梁5-3和第二单梁5-4的四周均覆盖有电极,并且电极分别与第一压焊块5-5和第二压焊块5-6连通,第一基座5-1、第二基座5-2、第一单梁5-3和第二单梁5-4的材料均为石英晶体,第一压焊块5-5、第二压焊块5-6以及电极的材料为均为金或银,石英梁5的厚度为80~200μm。
所述的“工”字型凹槽7-3和两个矩形凹槽7-4、7-5的刻蚀深度为60~100μm,且刻蚀深度相同。
所述的压力敏感膜7-12的厚度为30~60μm。
所述的四个对准标记7-6、7-7、7-8和7-9尺寸相同,宽度为15~40μm。
所述的玻璃基底8中心加工了一进气孔8-3,直径为φ0.5mm~φ1mm,正面刻蚀了两个方形凹槽8-1、8-2,分别与硅基底7上的两个硅岛7-10、7-11对正,两个凹槽尺寸相同,刻蚀深度为30~50μm。
与现有技术相比本发明的优点在于:采用石英梁5作为谐振器,具有品质因数高、重复性好、稳定性好、没有迟滞,容易实现压电激励与检测等优点,利用石英的这些特性,设计的石英梁谐振式压力传感器可以实现高精度、高分辨率测量,更为关键的是,利用石英的正逆压电效应,很容易激励石英梁至谐振状态,并通过检测电路检测其谐振频率;而采用MEMS工艺制作硅基底具有尺寸精度好、可靠性高、成本低等硅微传感器所具有的优良特性,硅基底正面设计了两个粘接凸台,背面设计两个硅岛均可以提高传感器线性度,相比于单端粘接在压力敏感膜上,石英梁双端粘接在压力敏感膜上灵敏度更高,另外两硅岛还起过载保护作用,结合石英梁和硅基底二者的优点,本发明设计制作的硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器具有精度高、分辨率高、线性度好、抗过载等特点。
附图说明
图1为本发明传感器结构示意图。
图2为芯片结构示意图,其中图2-a为芯片剖面视图,图2-b为芯片俯视图。
图3为压环的结构示意图,其中,图3-a为压环剖面图,图3-b为压环俯视图。
图4为石英梁5的结构示意图以及谐振时梁的振型。
图5为硅基底7的正面的结构示意图。
图6为硅基底7的背面的结构示意图。
图7为玻璃基底8的结构示意图。
图8为芯片过载保护示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1,一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器,包括壳体1,壳体1的空腔与壳体1上底部的压力孔9相通,壳体1空腔内配置有传感器芯片和两个电极引脚10,石英梁5基座上的第一压焊块5-5、第二压焊块5-6分别与两电极引脚10通过超声热压焊用金丝6连接在一起,压环3和壳体1上部通过螺纹连接固定在一起,连接处设有弹性密封圈2,弹性密封圈2防止气体从螺纹连接处泄露,压环3上的螺纹孔4与壳体1的空腔相连通,待测气体经连接管道从螺纹孔4进入壳体1的空腔内,压力P作用在石英梁5和硅基底7上,压力孔9与大气相通,大气压力P0进入硅基底背面腐蚀的凹腔中作为参考压力,压力敏感膜7-12正反面分别在待测气体压力P和大气压力P0作用下变形,该变形导致石英梁中产生应力和应变。
参照图2,所述的传感器芯片从上至下依次是石英梁5、硅基底7和玻璃基底8,石英梁5两端的基座5-1、5-2分别用低应力胶粘接在硅基底7对应的凸台7-1、7-2上,基座5-1、5-2的侧面分别与对准标记7-6、7-7、7-8、7-9对准,粘接时水平方向反复移动石英梁5以排出粘接剂中的气泡,减小石英梁谐振时能量损失;硅基底7与玻璃基底8通过低应力胶粘接或静电键合封接在一起,玻璃基底8与壳体1之间用环氧树脂胶粘接,进气孔8-3与压力孔9对准。
参照图3,所述的压环3包括拧紧凸台和圆形连接盘两部分,圆形连接盘外周加工了螺纹,压环3中间加工了一螺纹孔4,螺纹孔4直径为4~8mm。
参照图4,所述的石英梁5由两端的基座5-1、5-2和中间腐蚀了矩形凹槽的两根单梁5-3、5-4构成,第一基座5-1上表面覆盖有第一压焊块5-5,第二基座5-2上表面覆盖有第二压焊块5-6,第一单梁5-3和第二单梁5-4的四周均覆盖有电极,并且电极分别与第一压焊块5-5和第二压焊块5-6连通,第一基座5-1、第二基座5-2、第一单梁5-3和第二单梁5-4的材料均为石英晶体,第一压焊块5-5、第二压焊块5-6以及电极的材料为均为金或银,石英梁5的厚度为80~200μm。
石英梁5上的电极通过两电极引脚10与激励检测电路连通后,利用石英晶体的逆压电效应,石英梁闭环自激振荡直至谐振状态,谐振时的振动模态沿石英梁5的宽度方向,由检测电路检测石英梁的谐振频率。
参照图5和图6,所述的硅基底7正面经过ICP刻蚀形成“工”字型凹槽7-3和两个相同的矩形凹槽7-4、7-5,三个凹槽刻蚀深度相同,且均为60~100μm,正面未被刻蚀区域形成了两个矩形粘接凸台7-1和7-2,第一矩形粘接凸台7-1上制作了第一对准标记7-6、第二对准标记7-7,第二矩形粘接凸台7-2上制作了第三对准标记7-8、第四对准标记7-9,四个对准标记尺寸相同,宽度为15~40μm;硅基底7的背面腐蚀凹腔形成第一硅岛7-10和第二硅岛7-11,经正面和背面腐蚀后,硅基底7上的“工”字型凹槽7-3所对应的区域即构成压力敏感膜7-12,厚度为30~60μm。
参照图7,所述的玻璃基底8中心加工了一进气孔8-3,直径为φ0.5mm~φ1mm,正面刻蚀了两个方形凹槽8-1、8-2,分别与硅基底7上的两个硅岛7-10、7-11所在区域对正,两个凹槽尺寸相同,刻蚀深度为30~50μm。
参照图8,当外界压力过大时,两个硅岛7-10、7-11分别与两个方形凹槽8-1、8-2底部接触,起到过载保护的作用,防止石英梁5或压力敏感膜7-12由于应力过大而破坏。
本发明的原理是:
外界待测气体经螺纹孔4进入传感器壳体1的空腔内,该压力P作用在芯片的压力敏感膜3的正面上,壳体1上的压力孔9与大气相通,压力敏感膜3的背面感受大气压力作为参考压力P0,在正反面压力差的作用下,压力敏感膜3产生变形,该变形导致石英梁5弯曲变形,内部产生应力和应变,由于石英梁5的固有频率对内部应力变化极为敏感,忽略温度的影响,在一定范围内,固有频率与内部应力几乎成线性关系,在小挠度变形情况下,石英梁5的两根单梁中的应力与压力敏感膜3正反面的压力差△P成正比,石英梁5的谐振频率与待测气体表压具有较好的线性关系,因而通过检测石英梁5的谐振频率的变化可以实现测量待测气体表压的目的。石英梁5的两根单梁四周均覆盖有电极,在激励电路控制下,利用石英的逆压电效应驱动石英梁5自激振荡,当振动频率等于石英梁5的固有频率时发生谐振,在闭环控制系统下对谐振频率进行检测,谐振频率的变化量表征待测气体压力的大小,从而实现外界气体压力的测量。

Claims (5)

1.一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器,包括壳体(1),其特征在于:壳体(1)的空腔与壳体(1)上底部的压力孔(9)连通,压力孔(9)与大气相通,壳体(1)空腔内配置有传感器芯片和两个电极引脚(10),传感器芯片由上至下依次是石英梁(5)、硅基底(7)和玻璃基底(8),玻璃基底(8)与壳体(1)的空腔底部用环氧树脂胶粘接,并且玻璃基底(8)的进气孔(8-3)与压力孔(9)对正,硅基底(7)与玻璃基底(8)通过粘接或静电键合封接在一起,石英梁(5)两端基座粘接在硅基底(7)对应的凸台上,石英梁(5)基座上的第一压焊块(5-5)、第二压焊块(5-6)和两电极引脚(10)通过超声热压焊用金丝(6)连接在一起,压环(3)和壳体(1)上部通过螺纹连接固定在一起,连接处设有弹性密封圈(2),压环(3)上的螺纹孔(4)与壳体(1)的空腔相连通;
所述的硅基底(7)正面经过ICP刻蚀形成“工”字型凹槽(7-3)和两个相同的第一矩形凹槽(7-4)、第二矩形凹槽(7-5),正面未被刻蚀区域形成了两个矩形粘接凸台(7-1、7-2),第一矩形粘接凸台(7-1)上制作了第一对准标记(7-6)和第二对准标记(7-7),第二矩形粘接凸台(7-2)上制作了第三对准标记(7-8)和第四对准标记(7-9),硅基底(7)的背面腐蚀凹腔形成第一硅岛(7-10)和第二硅岛(7-11),经正面和背面腐蚀后,硅基底(7)上的“工”字型凹槽(7-3)所对应的区域即构成压力敏感膜(7-12);
所述的石英梁(5)由两端的基座(5-1、5-2)和中间腐蚀了矩形凹槽的两根单梁(5-3、5-4)构成,第一基座(5-1)上表面覆盖有第一压焊块(5-5),第二基座(5-2)上表面覆盖有第二压焊块(5-6),第一单梁(5-3)和第二单梁(5-4)的四周均覆盖有电极,并且电极分别与第一压焊块(5-5)和第二压焊块(5-6)连通,第一基座(5-1)、第二基座(5-2)、第一单梁(5-3)和第二单梁(5-4)的材料均为石英晶体,第一压焊块(5-5)、第二压焊块(5-6)以及电极的材料为均为金或银,石英梁(5)的厚度为80~200μm。
2.根据权利要求1所述的一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器,其特征在于:所述的“工”字型凹槽(7-3)和两个矩形凹槽(7-4、7-5)的刻蚀深度为60~100μm,且刻蚀深度相同。
3.根据权利要求1所述的一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器,其特征在于:所述的压力敏感膜(7-12)的厚度为30~60μm。
4.根据权利要求1所述的一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器,其特征在于:所述的四个对准标记(7-6、7-7、7-8、7-9)尺寸相同,宽度为15~40μm。
5.根据权利要求1所述的一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器,其特征在于:所述的玻璃基底(8)中心加工了一进气孔(8-3),直径为φ0.5mm~φ1mm,正面刻蚀了两个方形凹槽(8-1、8-2),分别与硅基底(7)上的两个硅岛(7-10、7-11)对正,两个凹槽尺寸相同,刻蚀深度为30~50μm。
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Granted publication date: 20150415

Pledgee: Xi'an Guoxin micro credit Co.,Ltd.

Pledgor: Shaanxi Lin Tak inertia Electric Co.,Ltd.

Registration number: 2018610000012

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Denomination of invention: Silicon substrate double-paddle structure quartz beam resonant micro pressure sensor

Effective date of registration: 20190619

Granted publication date: 20150415

Pledgee: Xi'an Guoxin micro credit Co.,Ltd.

Pledgor: Shaanxi Lin Tak inertia Electric Co.,Ltd.

Registration number: 2019610000126

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Date of cancellation: 20200313

Granted publication date: 20150415

Pledgee: Xi'an Guoxin micro credit Co.,Ltd.

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Registration number: 2019610000126

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Denomination of invention: A silicon-based dual Island quartz beam resonant micro pressure sensor

Effective date of registration: 20210129

Granted publication date: 20150415

Pledgee: Xi'an Guoxin micro credit Co.,Ltd.

Pledgor: Shaanxi Lin Tak inertia Electric Co.,Ltd.

Registration number: Y2021980000882

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Date of cancellation: 20220228

Granted publication date: 20150415

Pledgee: Xi'an Guoxin micro credit Co.,Ltd.

Pledgor: Shaanxi Lin Tak inertia Electric Co.,Ltd.

Registration number: Y2021980000882

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Denomination of invention: A silicon-based double island structure quartz beam resonant micro pressure sensor

Effective date of registration: 20220302

Granted publication date: 20150415

Pledgee: Xi'an Guoxin micro credit Co.,Ltd.

Pledgor: Shaanxi Lin Tak inertia Electric Co.,Ltd.

Registration number: Y2022610000063

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Date of cancellation: 20230310

Granted publication date: 20150415

Pledgee: Xi'an Guoxin micro credit Co.,Ltd.

Pledgor: Shaanxi Lin Tak inertia Electric Co.,Ltd.

Registration number: Y2022610000063

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Denomination of invention: A Silicon Based Double Island Structure Quartz Beam Resonant Micro Pressure Sensor

Effective date of registration: 20230315

Granted publication date: 20150415

Pledgee: Xi'an Guoxin micro credit Co.,Ltd.

Pledgor: Shaanxi Lin Tak inertia Electric Co.,Ltd.

Registration number: Y2023610000180