CN103234669B - 一种利用静电负刚度的压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用静电负刚度的压力传感器及其制作方法，涉及压力传感器。传感器自下而上设压力敏感层、悬臂式谐振层、真空封装盖层和电极。光刻胶做掩膜，在玻璃片上加工电极孔和引线缺口，再与硅片连接，腐蚀出驱动硅电极和检测硅电极；在金属或氧化硅掩膜上开掩膜窗口，再腐蚀出悬臂式谐振层上下表面的盲槽；刻蚀出悬臂式谐振层的引线缺口、带质量块的悬臂梁；用氧化硅层或氮化硅做掩膜，单面腐蚀出压力敏感膜和接地电极，制成压力敏感层，上端与悬臂式谐振层下端连接形成组合片，再与真空封装盖层连接形成三层组合片，装于硬板夹具，通过溅射或蒸镀得覆盖接地电极的金属层、驱动硅电极的引线电极、检测硅电极的引线电极以及直流偏压金属电极得传感器。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器，尤其是涉及一种利用静电负刚度的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，它通过检测微结构固有频率的变化间接测量压力，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。
目前，已知的硅微谐振式压力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，这种形变通过压力敏感膜与谐振结构之间的连接结构，传递到谐振结构上，导致谐振结构的刚度发生变化，进而影响谐振结构的谐振频率，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。以上工作原理使得该类谐振结构起码要双端甚至多端固支，将导致此类结构的品质因子难以达到悬臂梁谐振结构可达到的十万量级。该类谐振结构存在另外一个重要问题是温度的变化会引起压力敏感膜的形变，该形变最终也会影响输出的谐振频率，造成压力测量的温度误差，给高精度压力传感器的设计增大了难度。
硅微谐振式压力传感器的驱动电路通常为交直流叠加电压信号。此信号中的直流电压将产生与移动位移同向的静电力，此力与弹性恢复力相反，即此静电力的等效刚度为负值，此刚度和其他与弹性恢复力相反的静电等效刚度统称为静电负刚度（高钟毓.静电场藕合微机电系统的动态模型.机械工程学报,2001,37(3):97-101）。直流电压产生的静电负刚度与产生静电力的电容极板正对面积成正比、与直流电压幅值的平方成正比、与基板间距的三次方成反比。若能在压力敏感膜和悬臂谐振结构之间形成产生静电负刚度的静电力，那么在压力敏感膜与悬臂谐振结构之间就可以建立非接触的压力信号转化传递方式，就可有效避免压力敏感膜热形变造成的输出频率误差，同时可利用悬臂谐振结构得到高品质因子的谐振结构。
发明内容
本发明的目的在于提供利用静电负刚度原理在压力敏感膜与谐振结构之间建立非接触的压力信号转化传递方式，同时利用悬臂谐振结构获得高的品质因子，可显著提高测量精度、降低设计和制造难度的一种利用静电负刚度的压力传感器及其制作方法。
本发明所述利用静电负刚度的压力传感器，自下而上设有压力敏感层、悬臂式谐振层、真空封装盖层和电极；压力敏感层中部设有压力敏感膜，压力敏感层上端与悬臂式谐振层下端连接，悬臂式谐振层为框式结构，悬臂式谐振层设有带质量块的悬臂梁，带质量块的悬臂梁由悬臂式谐振层的边框内侧向内延伸至中央，悬臂梁的质量块位于压力敏感膜的正上方；悬臂式谐振层的边框上端与真空封装盖层下端连接；电极包括驱动硅电极、检测硅电极、接地电极和直流偏压金属电极，驱动硅电极和检测硅电极设于真空封装盖层下端且位于悬臂梁正上方，接地电极设于压力敏感层上，直流偏压金属电极设于真空封装盖层上，驱动硅电极和检测硅电极均设有引线电极，接地电极与外部电路连接且共地；所述压力敏感层为硅压力敏感层，所述悬臂式谐振层为硅悬臂式谐振层，所述真空封装盖层为玻璃等绝缘真空封装盖层。
所述压力敏感膜的厚度可根据传感器量程和灵敏度的要求变化调整。
所述悬臂梁与压力敏感膜之间的间距大于悬臂梁长度的1%。
所述质量块上开有减小压膜阻尼的孔，孔的形状可为圆形或多边形。
所述驱动硅电极、检测硅电极与悬臂梁之间的间距大于悬臂梁与压力敏感膜之间的间距。
本发明所述压力传感器的制作方法，包括以下步骤：
1）光刻胶做掩膜，用喷砂打孔工艺在玻璃片上加工出电极孔和引线缺口，之后去掉光刻胶；
2）将经步骤1）加工后的玻璃片与硅片通过键合等工艺连接，然后将硅片通过湿法腐蚀或研磨抛光工艺减薄到设定厚度，再用干法刻蚀或湿法腐蚀出驱动硅电极和检测硅电极，制作成真空封装盖层；
3）采用金属或氧化硅做掩膜，然后通过光刻腐蚀等工艺在金属或氧化硅掩膜上开出掩膜窗口，再用湿法单面腐蚀出悬臂式谐振层上下表面的盲槽，两槽底之间的厚度就是悬臂梁的厚度；
4）用光刻胶做掩膜干法刻蚀出悬臂式谐振层的引线缺口、带质量块的悬臂梁，之后去掉光刻胶，制作成悬臂式谐振层；
5）用氧化硅层或氮化硅做掩膜，单面腐蚀出压力敏感膜和接地电极，制作成压力敏感层；
6）将压力敏感层上端与悬臂式谐振层下端用熔硅键合工艺或粘接工艺连接到一起，形成压力敏感层与悬臂式谐振层的组合片；
7）将步骤6）所得组合片与真空封装盖层通过阳极键合工艺或粘接工艺连接到一起，形成压力敏感层、悬臂式谐振层与真空封装盖层的三层组合片；
8）将步骤7）所得三层组合片装于硬板夹具中，通过溅射或蒸镀金属工艺得到覆盖接地电极的金属层、驱动硅电极的引线电极、检测硅电极的引线电极以及直流偏压金属电极，得利用静电负刚度的压力传感器。
与现有技术比较，本发明的有益效果如下：
1）利用静电负刚度，在谐振结构和压力敏感膜之间建立非接触的压力信号转化传递方式，从而可有效避免压力敏感膜热形变造成的输出频率误差，提高传感器的测量精度；
2）利用悬臂谐振结构得到高品质因子的谐振结构，使输出信号的信噪比提高，降低外围电路设计难度；
3）利用静电负刚度可由施加直流电压改变的特点得到谐振频率可调的谐振结构，使传感器的使用频率可适当避开使用环境的频率限制；
4）采用简单的悬臂谐振结构以及成熟的熔硅键合和阳极键合等工艺，使传感器的工艺难度降低，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明所述压力传感器实施例的外观结构示意图。
图2为本发明所述压力传感器实施例的部分结构示意图。
图3为本发明所述压力传感器实施例的分解结构示意图。
图4为本发明所述压力传感器实施例的压力敏感层结构示意图。
图5为本发明所述压力传感器实施例的悬臂式谐振层结构示意图。
图6为图1所示压力传感器实施方案的真空封装盖层示意图；
图7的（1）～(8)为本发明实施例所述压力传感器的制备流程示意图。
在图1～7中，各标记表示：
1.压力敏感层；2.悬臂式谐振层；3.真空封装盖层；11.压力敏感膜；12.接地电极；21.边框；22.悬臂梁；23.质量块；24.悬臂式谐振层引线缺口；31.电极孔；32.驱动硅电极；33.检测硅电极；34.真空封装盖层引线缺口；41.直流偏压金属电极；42.驱动硅电极金属引线电极；43.检测硅电极金属引线电极。
具体实施方式
参见图1～7，本发明实施例所述压力传感器设有压力敏感层1、悬臂式谐振层2、真空封装盖层3和电极；压力敏感层1、悬臂式谐振层2和真空封装盖层3由下至上设置。压力敏感层1中部设有压力敏感膜11，压力敏感层1上端与悬臂式谐振层2下端连接。悬臂式谐振层2为框式结构，悬臂式谐振层2设有带质量块23的悬臂梁22，带质量块23的悬臂梁22由悬臂式谐振层的边框内侧向内延伸至中央，悬臂梁22的质量块23位于压力敏感膜11的正上方；悬臂式谐振层2的边框上端与真空封装盖层3下端连接。电极包括驱动硅电极32、检测硅电极33、接地电极12和直流偏压金属电极41，驱动硅电极32和检测硅电极33设于真空封装盖层3下端且位于悬臂梁22正上方，接地电极12设于压力敏感层1上，直流偏压金属电极41设于真空封装盖层3上，驱动硅电极32设有驱动硅电极金属引线电极42，检测硅电极33设有检测硅电极金属引线电极43，接地电极12与外部电路连接且共地。所述压力敏感层1为硅压力敏感层，所述悬臂式谐振层2为硅悬臂式谐振层，所述真空封装盖层3为玻璃真空封装盖层。
所述压力敏感膜11的厚度可根据传感器量程和灵敏度的要求变化调整。
所述悬臂梁22与压力敏感膜11之间的间距大于悬臂梁22长度的百分之一。
所述的质量块23上开有减小压膜阻尼的小孔（各图中未画出），小孔形状可为圆形、矩形或其他多边形。
所述驱动硅电极32、检测硅电极33与悬臂梁22之间的间距大于悬臂梁22与压力敏感膜11之间的间距。
本发明实施例所述的压力传感器的制作方法包括以下步骤：
1）光刻胶做掩膜，用喷砂打孔工艺在与硅膨胀系数相近的玻璃片上加工出电极孔31和引线缺口34，之后去掉光刻胶；
2）将经步骤1）加工后的玻璃片与硅片通过键合等工艺连接，然后将硅片通过湿法腐蚀或研磨抛光工艺减薄到设定厚度，再用干法刻蚀或湿法腐蚀出驱动硅电极32和检测硅电极33，制作成真空封装盖层3；
3）采用金属或氧化硅做掩膜，然后通过光刻腐蚀等工艺在金属或氧化硅掩膜上开出掩膜窗口，再用湿法单面腐蚀出悬臂式谐振层2上下表面的盲槽，两槽底之间的厚度就是悬臂梁的厚度；
4）用光刻胶做掩膜干法刻蚀出悬臂式谐振层的引线缺口24、带质量块23的悬臂梁22，之后去掉光刻胶，制作成悬臂式谐振层2；
5）用氧化硅层或氮化硅层做掩膜，单面腐蚀出压力敏感膜11和接地电极12，制作成压力敏感层1；
6）将压力敏感层1上端与悬臂式谐振层2下端用熔硅键合工艺或粘接工艺连接到一起，形成压力敏感层1与悬臂式谐振层2的组合片；
7）将步骤6）所得组合片与真空封装盖层3通过阳极键合工艺或粘接工艺连接到一起，形成压力敏感层1、悬臂式谐振层2与真空封装盖层3的三层组合片；
8）将步骤7）所得三层组合片装于硬板夹具中，通过溅射或蒸镀金属工艺得到覆盖接地电极12的金属层、驱动硅电极32的引线电极42、检测硅电极33的引线电极43以及直流偏压金属电极41，从而完成本发明所述压力传感器的制作。
本发明实施例所述压力传感器的工作原理如下：
将压力敏感层1上的接地电极12通过金属引线与外部电路连接且共地，在直流偏压金属电极41上施加一定幅度的直流电压使悬臂式谐振层2带有直流偏压，在驱动硅电极金属引线电极42上施加一定幅值的交直流叠加电压信号可驱动悬臂梁22谐振，将检测硅电极金属引线电极43连接外围频率信号检测电路。
当外界压力作用在压力敏感膜11上时，压力敏感膜11发生形变，产生面外的挠度，使压力敏感膜11和质量块23之间的距离减小，在直流偏压的作用下，与质量块23相连的悬臂梁22上的静电负刚度值发生变化，悬臂梁22的谐振频率进而会发生变化，质量块23与检测硅电极33之间的电容变化频率发生变化，电容变化频率的变化通过与检测引线电极43相连接的外围电路检测而获得，从而建立谐振频率变化与压力变化的比例关系。
Claims (5)
1.一种利用静电负刚度的压力传感器，其特征在于设有压力敏感层、悬臂式谐振层、真空封装盖层和电极；压力传感器由下至上设置为三层式结构，底层为压力敏感层，中层为悬臂式谐振层，上层为真空封装盖层；压力敏感层中部设有压力敏感膜，压力敏感层上端与悬臂式谐振层下端连接，悬臂式谐振层为框式结构，悬臂式谐振层设有带质量块的悬臂梁，带质量块的悬臂梁由悬臂式谐振层的边框内某处向内延伸至中央，悬臂梁的质量块位于压力敏感膜的正上方；悬臂式谐振层的边框上端与真空封装盖层下端连接；电极包括驱动硅电极、检测硅电极、接地电极和直流偏压金属电极，驱动硅电极和检测硅电极设于真空封装盖层下端且位于悬臂梁正上方，接地电极设于压力敏感层上，直流偏压金属电极设于真空封装盖层上，驱动硅电极和检测硅电极均设有引线电极，接地电极与外部电路连接且共地；所述压力敏感层为硅压力敏感层，所述悬臂式谐振层为硅悬臂式谐振层，所述真空封装盖层为玻璃绝缘真空封装盖层。
2.如权利要求1所述的一种利用静电负刚度的压力传感器，其特征在于所述悬臂梁与压力敏感膜之间的间距大于悬臂梁长度的1％。
3.如权利要求1所述的一种利用静电负刚度的压力传感器，其特征在于所述的质量块上设有减小压膜阻尼的孔。
4.如权利要求1所述的一种利用静电负刚度的压力传感器，其特征在于所述驱动硅电极、检测硅电极与悬臂梁之间的间距大于悬臂梁与压力敏感膜之间的间距。
5.如权利要求1所述一种利用静电负刚度的压力传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
1)光刻胶做掩膜，用喷砂打孔工艺在玻璃片上加工出电极孔和引线缺口，之后去掉光刻胶；
2)将经步骤1)加工后的玻璃片与硅片通过键合工艺连接，然后将硅片通过湿法腐蚀或研磨抛光工艺减薄到设定厚度，再用干法刻蚀或湿法腐蚀出驱动硅电极和检测硅电极，制作成真空封装盖层；
3)采用金属或氧化硅做掩膜，然后通过光刻腐蚀工艺在金属或氧化硅掩膜上开出掩膜窗口，再用湿法单面腐蚀出悬臂式谐振层上下表面的盲槽，两槽底之间的厚度就是悬臂梁的厚度；
4)用光刻胶做掩膜干法刻蚀出悬臂式谐振层的引线缺口、带质量块的悬臂梁，之后去掉光刻胶，制作成悬臂式谐振层；
5)用氧化硅层或氮化硅做掩膜，单面腐蚀出压力敏感膜和接地电极，制作成压力敏感层；
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| CN103234669A (zh) | 2013-08-07 |
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