CN105203234B - 谐振式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种谐振式压力传感器。该包括：传感器本体，在该传感器本体的底部形成压力敏感膜；在该压力敏感膜上形成有两谐振器‑第一谐振器和第二谐振器，其中，该两谐振器具有相同的固有频率，且两者对作用于压力敏感膜上的压力P的灵敏度大小相等，第一谐振器位于压力敏感膜的中央位置，第二敏感膜位于压力敏感膜的边缘位置。本发明谐振式压力传感器采用双谐振器，利用差频输出表征传感器压力特性，降低了温度因素的影响，改善传感器的压力灵敏度和线性度；利用和频输出表征传感器温度特性，用于传感器温度补偿，扩展传感器的使用温度范围。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS微传感器技术领域，尤其涉及一种谐振式压力传感器。
背景技术
谐振式压力传感器由其精度高，稳定性好，以及半数字输出、抗干扰性强等优势，广泛运用在气象，宇航等领域。谐振式压力传感器由通常压力敏感膜和谐振子构成。由于谐振子是可动部件，为了实现其低阻尼振动的工作环境，同时保护其免受外界灰尘，湿度，腐蚀等的破坏，谐振器往往需要被密封在真空环境之中。另外，对于压力传感器而言，真空是一个理想的压力参考，不随外界环境(比如温度、湿度、流速等)的变化而变化。因此，谐振器的真空封装是谐振压力传感器的一个必然要求。
用于圆片级真空封装的技术主要包括：硅硅键合，硅玻璃阳极键合，金硅共晶键合，金属中间层键合，以及玻璃焊料键合等。其中硅玻璃阳极键合对表面平整度要求不太高，无需中间层且强度高，因此广泛用于压力传感器、加速度计、陀螺等的封装过程。但该种方式在谐振式压力传感器的制作与封装过程中仍存在一定的问题：一方面，阳极键合需要提供高电压，容易造成可动部件的静电吸合，导致器件失效；另一方面，采用玻璃进行真空封装，往往需要在玻璃上加工引线通孔，用于与外部的电气连接，然而玻璃的加工相对困难。虽然可以采用喷砂和超声等方式制作通孔，但其加工尺寸受限，并与MEMS工艺不兼容，通用性差。另外，由于使用机械的加工方式，通孔边缘容易产生微裂纹，影响密封的可靠性。
另一方面，在微机电系统(MEMS)领域，常用于加工谐振子的材料主要是石英和单晶硅。石英具有低的温度系数，因而制作传感器的精度相对较高，但其加工困难，制作的成本高。相对而言，硅的加工工艺相对成熟与完善，刻蚀可以采用干法和湿法两种方式进行，刻蚀速率快，适用于多种形貌的图形加工；特别的，SOI片尤其适合加工可动部件，便于制作谐振子。因此，采用硅片加工具有更高的灵活性，更低的制作成本。虽然硅的温度系数相对较大，但通常可以对传感器进行温度补偿，使其在较宽的温度范围内也有较高的精度。
温度补偿通常包括硬件补偿和软件补偿。硬件补偿是使用与传感器温度系数相近的硬件设施来进行补偿。这种方式相对简单，但补偿精度差。软件补偿是利用数字电路对传感器输出进行修正。通过控制器采集温度信息，并将温度按照一定的规律来调整传感器的输出，进而使传感器输出在宽的温度范围内都能满足其精度要求。温度的获取途径包括外部温度传感器和集成温度传感器两种方式。外部温度传感器测量的温度与压力传感器本身的温度存在偏差，而且偏差不固定，因此补偿精度不高。集成温度传感器能改善上述问题，但需要引入温度敏感部件，增大了传感器加工的复杂度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种谐振式压力传感器，用于传感器自补偿，提高传感器补偿精度。
(二)技术方案
本发明谐振式压力传感器包括：传感器本体100，在该传感器本体的底部形成压力敏感膜160；在该压力敏感膜160上形成有两谐振器-第一谐振器140和第二谐振器150，其中，该两谐振器具有相同的固有频率，且两者对作用于压力敏感膜上的压力P的灵敏度大小相等，第一谐振器140位于压力敏感膜的中央位置，第二谐振器150位于压力敏感膜的边缘位。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明谐振式压力传感器具有以下有益效果：
(1)采用双谐振器的结构设计，利用双谐振器的差频输出表征传感器的压力特性，降低了温度的影响，改善传感器的压力灵敏度和线性度输出；
(2)利用双谐振器的和频输出表征传感器的温度特性，提高传感器温度灵敏度，实现了压力和温度双参数敏感，并且，利用该温度参数实现压力传感器自补偿，提高压力和温度的测量精度；
(3)在SOI片背面制作引线孔，降低引线互连制作的复杂度，提高真空封装的可靠性，同时，采用SOI过孔引线的方式，可通过金属溅射使器件层形成等电位，避免谐振器吸合失效，提高流片成品率；
(4)采用阳极静电键合技术和吸气剂技术，实现了谐振器的圆片级真空封装，真空度高，真空保持时间长，相比Druck公司静电激励的谐振式压力传感器单芯片的封装，效率高；相比日本横河公司的圆片级封装，成品率大幅提升；
(5)谐振式压力传感器中的双谐振器在一次刻蚀工艺完成，不会增加工艺复杂度。
可见，本发明谐振式压力传感器中，两个谐振器频率之差可以表征压力大小，两个谐振器频率之和可以表征温度信息，实现传感器的压力与温度的双参数敏感输出，并可用于传感器双参数自补偿。
附图说明
图1为本发明实施例谐振式压力传感器的三维立体图；
图2为图1所示谐振式压力传感器中两谐振器的示意图；
图3A为图2中第二谐振器的结构示意图；
图3B为图3A所述第二谐振器中除驱动电极和检测电极之外其他部分的结构示意图；
图4为图1所示谐振式压力传感器背面的示意图；
图5为图2所示谐振器的驱动检测原理的示意图。
【主要元件】
100-传感器本体
110-基底层； 120-绝缘层； 130-器件层；
140-第一谐振器； 150-第二谐振器； 160-压力敏感膜；
170-硅连接结构；
151-第一锚点； 152-第二锚点； 153-双端固支悬空梁；
154-驱动电极； 155-检测电极；
181、182、183、184、185、186-接线端子；
200-盖板；
210-空腔； 220-吸气剂。
具体实施方式
为了解决传感器温度补偿过程中温度测量偏差的问题，本发明提出一种实现压力与温度的双参数敏感的谐振压力传感器。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种谐振式压力传感器。请参照图1，本实施例谐振式压力传感器包括：传感器本体100，在其底部形成压力敏感膜160，在该压力敏感膜160上形成有固有频率相同的两谐振器-第一谐振器140和第二谐振器150，其中，第一谐振器140位于压力敏感膜的中央位置，第二谐振器150位于压力敏感膜的边缘位置；盖板200，通过阳极键合真空封装方式密封盖合于SOI片100的上部，其在与压力敏感膜对应的位置形成空腔；数据处理单元(未图示)，用于利用第一谐振器140的谐振频率f1和第二谐振器150的谐振频率f2的差频信息计算得到压力P的信息，还可以利用第一谐振器140的谐振频率f1和第二谐振器150的谐振频率f2的和频信息计算得到传感器的温度信息。
以下对本实施例谐振式压力传感器的各个组成部分进行详细说明。
请参照图1，传感器本体100由SOI片经MEMS工艺制备而成。该SOI片自下而上包括：基底层110、绝缘层120和器件层130。其中，基底层110和器件层130具有极低电阻率，可形成良好的电气连接，而绝缘层120用于隔开上下两层，实现电气隔离。
在SOI片的基底层刻蚀一定的深度，形成压力敏感膜160。一般情况下，该压力敏感膜的厚度介于120～140μm之间。在压力敏感膜160的上部形成有固有频率相同的两谐振器-第一谐振器140和第二谐振器150。其中，第一谐振器140和第二谐振器150具有完全相同的物理尺寸，包括长度、宽度和厚度，因此其固有频率相同，均为f0。
图2为图1所示谐振式压力传感器中两谐振器的示意图。请参照图2，第一谐振器140位于压力敏感膜的中央位置，第二谐振器150位于压力敏感膜的边缘位置。除了位置不同之外，第一谐振器140和第二谐振器150的结构相同，以下主要针对第二谐振器150进行详细说明。
图3A为图2中第二谐振器的结构示意图。请参照图2和图3A，第二谐振器150包括：第一锚点151；第二锚点152；双端固支悬空梁153，由位于第一锚点和第二锚点之间的器件层形成，其下方的绝缘层被刻蚀掉，形成悬空结构；驱动电极154，形成于双端固支悬空梁153的一侧，用于驱动双端固支悬空梁153侧向振动；检测电极155，形成于双端固支悬空梁153的另一侧，用于检测该双端固支悬空梁153的振动频率。
图3B为图3A所述第二谐振器中除驱动电极和检测电极之外其他部分的结构示意图。如图3B所示，双端固支悬空梁沿谐振式压力传感器的径向设置，其下方的绝缘层被侧向刻蚀，从而形成悬空结构。一般情况下，其长度介于1000μm～1400μm之间。而第一锚点151、第二锚点152、驱动电极154、检测电极155所在的位置均具有完整的器件层/绝缘层/基底层结构。
每个谐振器通过绝缘层120固定到了压力敏感膜160上，用于感应压力敏感膜上的应力变化。每个谐振器通过绝缘层连接到压力敏感膜上，一方面用于隔离各部件的电气连接，另一方面用于感知外界压力P的大小。其作用原理如下：当压力P作用于该压力敏感膜，压力敏感膜产生形变，由此产生的应力将通过锚点传递到两个谐振梁(双端固支悬空梁)上，进而引起谐振器频率改变，谐振频率变化的大小代表着外界压力P的作用大小。
在压力敏感膜外围的SOI片的器件层，形成有六个接线端子。每个谐振器对应三个接线端子。对于第一谐振器140而言，其外侧的第一锚点通过硅连接结构170电气连接至左上角的接线端子181，其驱动电极和检测电极分别连接至该接线端子两侧的两个接线端子(182、183)。同样，对于第二谐振器150而言，其外侧的第一锚点连接至右下角的接线端子184，其驱动电极和检测电极分别连接至该接线端子两侧的两个接线端子(185、186)。
图4为图1所示谐振式压力传感器背面的示意图。请参照图4，在六个接线端子中心所对应的位置，刻穿SOI片背面的基底层，同时去除中间的绝缘层，形成如图所示的引线孔(图4未标示出来)，并在该引线孔内制作形成金属薄膜焊盘(图4未标示，孔内黑色图形)，从而可以通过压焊引线将六个接线端子的电信号引出。
请参照图1，玻璃盖板200与压力敏感膜所对应的位置上有一个空腔210，用于提供谐振器振动所需空间。空腔的底部沉积了一层吸气剂220，用于维持空腔内的真空环境。玻璃盖板200与传感器本体100的外侧边缘通过阳极键合方式密封扣合，从而将两谐振器(140、150)封装在真空环境中。
请参照图5，谐振梁上施加直流偏置电压Vdc，驱动电极施加交流驱动电压Vac，在静电力作用下，谐振梁受迫振动。在此条件下，谐振梁与检测电极的间距改变，因而改变检测电极上电荷量，通过电荷放大电路将其转为电压输出。当驱动电压频率与谐振器频率一致时，谐振器振动幅度最大。
在零应力下，第一谐振器140和第二谐振器150的固有频率均为f0。并且，由于所处位置不同，所述第一谐振器(140)和第二谐振器(150)对作用于压力敏感膜上的压力P有着相反的频率响应。当压力P作用于压力敏感膜上，压力敏感膜在中间区域产生张应力，在边缘区域产生压应力，其中：
(1)第一谐振器140位于压力敏感膜的中央位置，感受张应力。在该张应力作用下，其谐振频率升高为f1；
(2)第二谐振器150位于压力敏感膜的边缘位置，感受压应力。在该压应力作用下，第二谐振器150的谐振频率降低为f2；
(3)第一谐振器140和第二谐振器150对外界压力P有着一致的灵敏度响应，即f1-f0＝f0-f2。
因此，可以用这两个谐振器的频率之差(f1-f2)来表征压力P的大小，一方面可以提高传感器的输出灵敏度，另一方面可以降低每个谐振器带来的非线性误差。
本实施例中，数据处理单元用于利用第一谐振器140的谐振频率f1和第二谐振器150的谐振频率f2的差频信息计算得到压力P的信息。
同时由于两个谐振器(140和150)对压力P有着相同灵敏度反应，因此两个谐振器的频率之和(f1+f2＝2f0)对压力P不敏感，而只与每个谐振器的固有频率有关。而谐振器的固有频率f0直接与其温度相关，因此，两个谐振器的频率之和(f1+f2)可以用于表征传感器的温度。
本实施例中，数据处理单元还可以用于利用第一谐振器140的谐振频率f1和第二谐振器150的谐振频率f2的和频信息计算得到传感器的温度信息。
通过上述双谐振器的设计，该传感器同时可以测量外界压力，也可用于对外界温度的测量，实现压力和温度的双参数测量，并可利用获得的温度信息进行传感器自补偿。
至此，本实施例谐振式压力传感器的结构特征介绍完毕。
如图1所示谐振式压力传感器加工制作分四个步骤完成：其一，SOI压敏芯片加工；其二，玻璃盖板加工；其三，阳极键合真空封装；其四，过孔内金属焊盘制作。以下进行详细说明：
步骤A：在SOI片基底层上刻蚀形成引线孔和压力敏感膜；
由于引线孔和压力敏感膜具有不同的深度，因此本实施例采用金属氧化物等介质层和光刻胶制作复合深刻蚀掩膜。具体步骤如下：
子步骤A1：利用lift-off技术在SOI基底层制作介质层薄膜的压力敏感膜和引线孔图形，然后在此基础上甩胶，利用光刻胶制作引线孔图形(对准介质层薄膜引线孔图形)；
子步骤A2：利用上述光刻胶掩膜，利用DRIE/ICP刻蚀引线孔至自停止层；
子步骤A3：去除光刻胶，利用上述图形化的介质层作为第二层掩膜，刻蚀基底层到一定的深度，形成压力敏感膜。
步骤B：在SOI器件层上刻蚀形成谐振器等结构；
器件层谐振器的制作需要与背面压力敏感膜图形对准。其具体步骤包括：
子步骤B1：在器件层上甩胶，并通过光刻机对准光刻，形成谐振器图形；
子步骤B2：利用光刻胶作为掩膜材料，利用DRIE/ICP刻蚀至自停止层，形成谐振器；
子步骤B3：谐振器释放
首先，去除SOI表面的光刻胶，并利用浓H2SO4清洗硅片。其次，利用气态HF酸腐蚀引线孔内的氧化硅。最后，利用气态HF酸腐蚀器件层暴露的氧化硅，直到谐振器释放，使其可侧向振动。需要指出的是，腐蚀过孔内的氧化硅应尽量减少腐蚀时间，避免大的侧钻；然而释放谐振器，腐蚀时间则应相应延长，侧钻量至少为谐振梁宽度的一半，以保证谐振梁可动。
步骤C：在玻璃基板上制作一个空腔，并沉积吸气剂，形成玻璃盖板；
该步骤C包括：
子步骤C1：玻璃基板双面溅射Cr/Au掩膜，并双面甩上光刻胶，其中一面光刻形成空腔图形，并去除暴露的Cr/Au金属层；
子步骤C2：利用HF酸腐蚀暴露的玻璃，形成一定深度的空腔；
子步骤C3：去除玻璃上的光刻胶和Cr/Au金属层，并利用硬掩膜技术，在空腔内溅射Ti基吸气剂。
步骤D：将SOI片和玻璃盖板进行阳极键合真空封装。
该步骤D包括：
子步骤D1：在上述释放过的SOI基底层上溅射一层Cr/Au金属。通过引线孔，Cr/Au金属薄膜可以连通器件层上的谐振器的各个电极，使其形成等电位，可避免阳极过程中各电极电位偏差，造成静电吸合；
子步骤D2：利用阳极键合将上述玻璃盖板与上述SOI真空键合，将谐振器密封在真空腔室内。
子步骤D3：在过孔内采用电化学阳极腐蚀的办法制作金焊盘。
具体步骤如下：将上述键合片接阳极，铂金电极接阴极，并将键合片和铂金电极放入NaCL溶液中进行阳极腐蚀，最终表面的Cr/Au薄膜被去除，过孔内的Cr/Au焊盘得以保留，具体工艺细节及控制方法可参见申请人专利(CN201410617616.3，SOI片过孔内金属焊盘的制作方法)。
至此，完成如图1所示谐振式压力传感器的制作。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明谐振式压力传感器及其制备方法有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)双端固支悬空梁可以采用图1所示的形式外，还可以采用H型梁、环形梁、平板梁、梳齿梁等形式的谐振梁；
(2)谐振器的驱动方式也可以用电磁激励、热电激励等来代替；
(3)玻璃空腔内的吸气剂可以采用钛基吸气剂或其他商用吸气剂；
(4)刻蚀压力膜可用减薄(CMP)工艺来代替；引线孔也可采用湿法腐蚀工艺制作，其中采用的氧化物介质层种类包括且不限于Al2O3、ZnO、MgO、SiO2等；阳极键合过程中所用来连接器件层的金属Cr/Au亦可用其他金属代替，比如Al、Cr、Cu、Ni等；
(5)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；
(6)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。
综上所述，本发明针对谐振压力传感器在阳极键合真空封装和补偿过程中存在的问题，提出一种新的谐振式压力传感器，其能够实现压力和温度双参数的测量，同时能够有效地降低工艺制作的复杂度并避免静电吸合引起的芯片失效，具有较好的推广应用价值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种谐振式压力传感器，其特征在于，包括：传感器本体(100)，在该传感器本体的底部形成压力敏感膜(160)；
在该压力敏感膜(160)上形成有两谐振器-第一谐振器(140)和第二谐振器(150)，其中，第一谐振器(140)位于压力敏感膜的中央位置，第二谐振器(150)位于压力敏感膜的边缘位置，两个谐振器对作用于压力敏感膜上的压力P有着相反但大小相等的灵敏度关系；
其中，所述第一谐振器(140)和第二谐振器(150)的固有频率均为f0；由于所处位置不同，所述第一谐振器(140)和第二谐振器(150)对作用于压力敏感膜上的压力P有着相反的频率响应：当压力P作用于压力敏感膜上，位于压力敏感膜中央位置的第一谐振器(140)感受张应力，其谐振频率升高为f1；位于压力敏感膜边缘位置的第二谐振器(150)感受压应力，其谐振频率降低为f2；所述谐振式压力传感器还包括：数据处理单元，用于利用第一谐振器(140)的谐振频率f1和第二谐振器(150)的谐振频率f2的差频信息计算得到压力P的信息。
2.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述传感器本体(100)由SOI片经MEMS工艺制备而成；
其中，该SOI片自下而上包括：基底层(110)、绝缘层(120)和器件层(130)，所述两谐振器具有相同的结构和尺寸。
3.根据权利要求2所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述压力敏感膜由所述SOI片的基底层形成。
4.根据权利要求2所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述第二谐振器(150)包括：
第一锚点(151)和第二锚点(152)，均形成于压力敏感膜上；
双端固支悬空梁(153)，由SOI片上位于第一锚点和第二锚点之间的器件层形成，沿传感器本体的径向设置，其下方的绝缘层被刻蚀掉，形成悬空结构；
驱动电极(154)，形成于所述双端固支悬空梁(153)的一侧；以及
检测电极(155)，形成于所述双端固支悬空梁(153)的另一侧。
5.根据权利要求4所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述双端固支悬空梁(153)为以下谐振梁性质中的一种：H型梁、环形梁、平板梁、梳齿梁。
6.根据权利要求4所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述驱动电极(154)采用电激励方式；
通过第一锚点(151)向双端固支悬空梁施加直流偏置电压(Vdc)，向驱动电极(154)施加交流驱动电压(Vac)，由检测电极(155)检测双端固支悬空梁(153)的振动频率。
7.根据权利要求4所述的谐振式压力传感器，其特征在于，在压力敏感膜外围的SOI片的器件层，形成有六个接线端子(181-186)和真空密封框；
每个谐振器的第一锚点、驱动电极和检测电极分别通过器件层电气连接至相应的接线端子上。
8.根据权利要求7所述的谐振式压力传感器，其特征在于，六个接线端子中心位置所对应的基底层和绝缘层被刻穿，形成引线孔，在该引线孔内形成有金属薄膜焊盘，并通过在该金属薄膜焊盘上压焊引线将相应接线端子的电信号引出。
9.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，还包括：
盖板(200)，通过阳极键合真空封装方式密封盖合于所述传感器本体(100)的上部，其在压力敏感膜对应的位置形成有空腔(210)。
10.根据权利要求9所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述空腔的底部沉积有吸气剂(220)；
所述盖板(200)为玻璃盖板；该玻璃盖板(200)与传感器本体(100)的外侧边缘通过阳极键合真空封装方式密封扣合。
11.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述数据处理单元还用于利用第一谐振器(140)的谐振频率f1和第二谐振器(150)的谐振频率f2的和频信息计算得到传感器的温度信息。
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