CN108516518A - 基于压阻检测的谐振式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于压阻检测的谐振式压力传感器及其制备方法，该谐振式压力传感器包括压力敏感膜、位于压力敏感膜上的谐振器和六个锚点，该谐振器包括双端固支梁和位于双端固支梁两侧的两个驱动电极，其中该双端固支梁包括两端部和连接至该两端部的两根单梁，通过对称地在该两根单梁的根部区域进行刻蚀，在该两根单梁的根部形成体压阻，在该两端部形成相同的三电极结构，其中一个三电极结构悬空，另一个三电极结构以中间位置的电极作为接地端，以两侧位置的电极作为检测电极；该六个锚点分别位于两个三电极结构下方，将该双端固支梁固支于压力敏感膜上。本发明采用压阻检测及谐振器音叉振动方式，提高了输出信号强度，增强了抗干扰能力和稳定性。

Description

基于压阻检测的谐振式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及MEMS微传感器技术领域，尤其涉及一种基于压阻检测的谐振式压力传感器。

背景技术

谐振式压力传感器是将谐振器作为敏感结构，利用压力变化改变谐振器的特征频率，通过监测谐振器特征频率的变化来间接测量压力的一种压力测量装置。由于传感器输出频率信号，适用于长距离传输而不会降低其精度，可以不经AD转换方便地与上位机通信，构成高精度控制系统。谐振式压力传感器有着良好的线性度、分辨率、稳定性和极高的精度，广泛运用在气象，宇航等重要领域。

谐振压力传感器的核心部件是压力敏感膜和通过锚点固定在敏感膜上的可动谐振器。压力敏感和谐振器几乎决定着传感器的所有性能，压力敏感膜的结构相对比较稳定，一般都是采用方形膜。而谐振器的设计时要考虑谐振器的激励和检测原理，以及与电路的兼容性问题，谐振器的结构差异性很大。

目前，谐振器激励一般采用的是：电热激励，电磁激励和静电激励。电热激励是利用温度差导致的热应力来迫使谐振器产生变形，但该类传感器受温度的影响较大，抗干扰能力和温度性能较差。电磁激励是利用通电导体在磁场里受到安培力的作用来激励谐振器，由于电磁激励的谐振器需要磁场，一般传感器内部都有永磁体，其质量和体积都较大。此外实际应用中还存在电磁干扰的问题。静电激励是采用较为广泛的激励方式，根据静电力的来源又可以将静电激励分为梳齿电容激励和平板电容激励两种。无论是哪种电容的激励，都需要电容极板之间的间距足够小，以此来提供较大的驱动力，因此电容激励的谐振器一般对加工精度的要求很高。

对于频率信号的检测，目前主要采用的是电磁检测，电容检测和压阻检测等。电磁检测是利用电磁感应的原理，利用谐振器的微梁在磁场中切割磁感线产生的感应电动势来提取谐振器的特征频率，与电磁激励一样，电磁检测也容易受到电磁信号的干扰，影响其精度。电容检测是利用电容充放电的过程中电荷/电压的变化来提取谐振器的特征频率变化，但是MEMS加工的电容值较小，电路提取的信号比较微弱，检测比较困难。压阻检测是利用材料的压阻效应，检测谐振器上压阻敏感位置的电阻变化来提取整个谐振器的特征频率信号。

此外，为提供谐振器低阻尼的振动环境，同时为保护其免受外界灰尘、湿度、腐蚀等因素的干扰和破坏，谐振器往往需要密封在真空环境之中。在MEMS工艺中用于圆片级的真空封装技术主要有：熔融键合，阳极键合和共晶键合等。其中阳极键合适用于硅和玻璃的键合，对表面平整度要求相对较低，键合强度高，广泛用于压力传感器、加速度计、陀螺仪等器件的加工中。但硅和玻璃的热膨胀系数存在差异，导致传感器在全温范围内温度系数相对较大，因此要对传感器进行温度补偿。

MEMS传感器最后都是通过金属引线的方式将芯片上的信号引出到传感器底座上，目前引线的材料采用的主要是硅铝丝和金丝。硅铝丝可以直接压在硅上，但硅铝丝材料容易断裂，金丝必须是压焊在金衬底上。多层机构的MEMS器件的电极一般都是采用硅通孔技术制作，在溅射金衬底时，又容易将金属溅射到硅通孔的侧壁上，导致电极间的短路。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于压阻检测的谐振式压力传感器及其制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一个方面，提供一种基于压阻检测的谐振式压力传感器，包括在SOI片上集成的传感器本体，其包括：

压力敏感膜，由SOI片的基底层形成；

谐振器，由SOI片的器件层形成，位于所述压力敏感膜上方，该谐振器包括：

双端固支梁，包括两端部和连接至该两端部的两根单梁，通过对称地在该两根单梁的根部区域进行刻蚀，在该两根单梁的根部形成体压阻，在该两端部形成相同的三电极结构，其中：一端部的三电极结构悬空，另一端部的三电极结构以中间位置的电极作为接地端，以两侧位置的电极作为检测电极；以及

两个驱动电极，分别位于所述双端固支梁的两侧，在该两个驱动电极上施加直流、交流驱动电压，以静电力驱动该双端固支梁发生音叉振动，其中，所述接地端和两个检测电极能够连接至电阻/电压检测电路以测量所述体压阻上的电阻/电压随该音叉振动而产生的变化；以及

六个锚点，由SOI片的绝缘层形成，分别位于所述双端固支梁的两端部的三电极结构下方，将所述双端固支梁固支于所述压力敏感膜上。

优选地，所述谐振器为两个，并且具有相同的结构，分别位于所述压力敏感膜上方的相对中间区域和相对边缘区域，以进行压力和温度的双参数测量。

优选地，所述两个驱动电极分别与相邻的单梁形成平板电容或梳齿电容，以产生能够驱动该双端固支梁发生音叉振动的静电力。

优选地，所述传感器本体还包括位于所述压力敏感膜外围的若干引线端子，由所述SOI片的器件层形成，所述若干引线端子分别连接至谐振器的接地端、驱动电极和检测电极。

优选地，位于每个所述引线端子的中心位置处穿过所述基底层和绝缘层形成有引线孔，所述引线孔内形成有金属焊盘，在该金属焊盘上压焊引线，以连接至外部电路。

优选地，所述引线孔的外围一圈形成有电气隔离槽。

优选地，所述引线端子的外围形成有电气隔离槽。

优选地，所述谐振式压力传感器还包括玻璃盖板，其与SOI片通过阳极键合以将所述谐振器封装在真空环境中，其中所述玻璃盖板与压力敏感膜相对应的位置形成有一空腔。

优选地，所述空腔内沉积有吸气剂。

作为本发明的另一个方面，提供一种如上所述的谐振式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：在SOI片的基底层上刻蚀形成引线孔和压力敏感膜；

步骤B：在所述SOI片的器件层上刻蚀形成谐振器和引线端子，谐振器通过腐蚀所述SOI片暴露的绝缘层而释放；

步骤C：在玻璃基板上制作空腔，并沉积吸气剂，形成玻璃盖板；

步骤D：所述SOI片和玻璃盖板进行阳极键合以将谐振器密封在真空腔内；

步骤E：在引线孔内通过溅射金属制作金属焊盘。

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

1、采用压阻检测方式，提高了传感器的输出信号强度；

2、采用谐振器音叉振动模式，可以去传感器结构耦合，提高传感器的抗干扰能力和稳定性；

3、采用体压阻设计，在SOI片器件层上与其它结构一起一次性完成刻蚀，降低了传感器领域压阳制作的复杂度；

4、采用双谐振器的设计能够同时表征传感器的压力和温度，并利用温度参数实现压力传感器温度自补偿，提高压力和温度测量精度，其可在一次刻蚀工艺完成，不会增加工艺复杂度；

5、采用SOI制作引线孔，降低引线互连制作的复杂度，提高真空封装可靠性；

6、采用SOI过孔引线的方式，可通过溅射金属在器件层内形成等电位，避免谐振器吸合失效，提高成品率。

附图说明

图1是本发明实施例基于压阻检测的谐振式压力传感器的示意图；

图2是本发明实施例平板电容驱动谐振器的结构简化图；

图3是本发明实施例梳齿电容驱动谐振器的结构简化图；

图4是本发明实施例谐振器驱动检测方式的示意图；

图5是图1所示的谐振式压力传感器底部结构的示意图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

100-玻璃盖板；

110-吸气剂；

120-空腔；

200-SOI片；

210-基底层；

211a-第一谐振器； 211b-第二谐振器； 212-连接结构；

213-引线端子； 214-第一电气隔离槽； 215-密封边框；

216a-单梁； 216b-压阻； 217-驱动电极；

218-检测电极； 219-接地端；

220-绝缘层；

221-锚点；

230-基底层；

231-压力敏感膜； 232-引线孔； 233-金属电极；

234-第二电气隔离槽。

具体实施方式

需要说明的是，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。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。例如下文中，是以如图1所示的以SOI片所在平面为基准确定上下方向，并以其横向为左右方向，其纵向为前后方向。

针对谐振压力传感器在激励和检测上、温度补偿中以及电极制作时存在驱动结构复杂、检测信号小，温度补偿困难以及电极短路等问题，本发明提供了一种基于压阻检测的谐振式压力传感器及其制备方法，采用压阻检测方式，提高了传感器的输出信号强度，进一步提供了双谐振器设计，以同时表征传感器的压力和温度，并利用温度参数实现压力传感器温度自补偿，提高压力和温度测量精度。

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。

作为本发明的一个方面，提供了一种基于压阻检测的谐振式压力传感器。图1是本发明实施例基于压阻检测的谐振式压力传感器的示意图，如图1所示，本实施例基于压阻检测的谐振式压力传感器，包括在SOI片100上集成的传感器本体，其中：

该SOI片100自上而下包括器件层210、绝缘层220以及基底层230，器件层210，绝缘层220将器件层的谐振器结构悬空，同时形成基底层和器件层之间的电气隔离。

该传感器本体包括压力敏感膜231、谐振器以及锚点221。其中，压力敏感膜231由基底层210形成。谐振器由器件层210形成，位于所述压力敏感膜上方，如图2和3所示，其包括：双端固支梁，包括两端部和连接至该两端部的两根单梁(216a或216a’)，通过对称地在自该两根单梁的根部延伸至其所连接的端部区域进行刻蚀，在该两根单梁的根部形成体压阻216b，在该两端部形成相同的三电极结构，其中：一端部的三电极结构悬空，另一端部的三电极结构以中间位置的电极作为接地端219，以两侧位置的电极作为检测电极218；两个驱动电极(217或217’)，分别位于双端固支梁的两侧；六个锚点221，由SOI片的绝缘层形成，分别位于该双端固支梁的两端部的三电极结构下方，将该双端固支梁固支于压力敏感膜231上。当压力作用于压力敏感膜231时，压力敏感膜由此产生应力，并通过六个锚点221传导至谐振器，引起谐振器频率改变，进而感知外界压力的大小。

如图4所示，本实施例谐振器采用静电驱动以及压阻检测，在两个驱动电极(217或217’)上施加直流电压V_dc和交流电压V_ac，在静电力的作用下，该双端固支梁发生音叉振动，此时位于两根单梁根部的体压阻的应力方向始终相同，通过差分检测可以提高信号强度，另外，也可以去结构的耦合，消除干扰。其中，可如图2所示，两个驱动电极217分别与相邻的单梁216a形成平板电容进行静电驱动，还可如图3所示，两个驱动电极217’分别与相邻的单梁216a’形成平板电容进行静电驱动。在此条件下，两个单梁(216a或216a’)根部应力改变，因而改变压阻216b的电阻。如图4所示可将压阻216b连接至恒流源，接地端219接地，通过检测电极218和接地端219输出压阻两端的电压变化，进而获取谐振器的特征频率。

在本实施例中，谐振器有两个，分别为第一谐振器211a和第二谐振器211b，其具有相同的物理结构，分别位于压力敏感膜231上方的边缘区域和中间区域。通过双谐振器的设计，可实现压力和温度的双参数测量，并可用于传感器的自温度补偿，具体原理如下：

第一谐振器211a和第二谐振器211b具有完全相同的物理尺寸，因此其固有频率均为f₀。当压力户作用于压力敏感膜231上，压力敏感膜231在中间区域产生张应力，在边缘区域产生压应力。因此，第二谐振器211b在此张应力作用下，该谐振器频率(f₁)升高；第一谐振器211a在压应力作用下，谐振器频率(f₂)降低；

由于谐振器的特征频率与其所受的应力状态有关，当压力变化时会改变谐振器上的应力分布，同时由于材料的温度特性，当温度变化时，谐振器上也会产生应力。这就使得谐振器既对压力敏感又对温度敏感。因此，在标定过程中，记录温度T和压力P，同时采集第二谐振器211b和第一谐振器211a的频率f₁和f₂。通过多项式拟合的方法，得到f₁、f₂与T、P的关系式：

由于制作谐振器的硅材料本身有温度敏感特性，此外在阳极键合过程中，不同材料间的热膨胀系数不匹配问题使得温度对谐振频率的影响较为复杂，函数F1和F2难以写出解析形式，不过根据式(1)方程组，经过数学变换，便可通过f1、f2反算出压力和温度，即压力和温度均可表示为f1和f2的二元函数：

由上可知，本发明也可在压力敏感膜上方只设计一个谐振器，只是此时就无法实现温度和压力的双参数测量。

如图1所示，传感器本体还包括位于压力敏感膜231外围的10个引线端子213，由器件层210形成，该10个引线端子213通过连接结构212分别连接至两个谐振器的接地端219、驱动电极(217或217’)和检测电极218。在每个引线端子213的外围形成有第一电气隔离槽214。

如图5所示，在每个所述引线端子213的中心位置处穿过基底层230和绝缘层220形成有引线孔232，引线孔232内形成有金属焊盘233，在该金属焊盘233上压焊引线，以使引线端子213连接至外部电路，其中引线孔232的外围一圈设置有第二电气隔离槽234，可避免引电极间的短路问题。该谐振式压力传感器还包括玻璃盖板100，其与SOI片200的外侧缘的密封边框215通过阳极键合以将谐振器封装在真空环境中，其中玻璃盖板100与压力敏感膜相对应的位置形成有一空腔120，提供谐振器的振动空间，空腔120内沉积有吸气剂110，用于吸收在阳极键合过程中玻璃释放的气体。

作为本发明的一个方面，提供了一种基于压阻检测的谐振式压力传感器的制备方法。本实施例一种如上所述的谐振式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：在SOI片200的基底层230上刻蚀形成引线孔232、第二电气隔离槽234和压力敏感膜231。

具体地，由于引线孔/电气隔离槽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：首先利用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)。再后，利用上述光刻胶掩膜，利用DRIE/ICP刻蚀引线孔至自停止层。之后，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片200的器件层210上刻蚀形成谐振器(211a和211b)和引线端子213，谐振器的制作位置需要与背面的压力敏感膜图形对准，通过腐蚀SOI片200暴露的绝缘层使谐振器释放。

具体地，本步骤包括：

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(211a和211b)和引线端子213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(211a和211b)和10个引线端子213；

子步骤B3：释放谐振器，包括：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。

步骤C：在玻璃基板上制作空腔120，并沉积吸气剂110，形成玻璃盖板100。

具体地，首先，在玻璃基板上溅射Cr/Au掩膜，并甩上光刻胶，光刻形成空腔图形，并去除暴露的Cr/Au金属层；之后，利用HF酸腐蚀暴露的玻璃，形成空腔120；最后，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110。

步骤D：SOI片200和玻璃盖板100进行阳极键合以将谐振器(211a和211b)密封在真空腔内。

具体地，本步骤包括：

子步骤D1：在上述释放过的SOI基底层溅射一层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：利用阳极键合将玻璃盖板100与上述SOI片200真空键合，将谐振器(211a和211b)密封在真空腔室内。

步骤E：采用溅射的方法在引线孔内制作金属焊盘。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。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)引线孔/电气隔离槽也可采用湿法腐蚀工艺制作；

(2)氧化物介质层种类包括且不限于Al₂O₃、ZnO、MgO、SiO₂等；

(3)玻璃空腔内的钛基吸气剂可用其他商用吸气剂代替；

(4)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)玻璃盖板制作中金属掩膜材料包括且不限于Cr、Cr/Au、Cu、Ag等；

(6)谐振器的释放可用SiO₂的湿法腐蚀来代替。

综上所述，针对谐振压力传感器在激励和检测上、温度补偿中以及电极制作时存在的问题，提出一种新的传感器结构，能够实现压力和温度双参数的测量，同时能避免电极短路引起的芯片失效。

还需要说明的是，贯穿附图，在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

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，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 (10)

1.一种基于压阻检测的谐振式压力传感器，包括在SOI片上集成的传感器本体，其包括：

压力敏感膜，由SOI片的基底层形成；

谐振器，由SOI片的器件层形成，位于所述压力敏感膜上方，该谐振器包括：

双端固支梁，包括两端部和连接至该两端部的两根单梁，通过对称地在该两根单梁的根部区域进行刻蚀，在该两根单梁的根部形成体压阻，在该两端部形成相同的三电极结构，其中：一端部的三电极结构悬空，另一端部的三电极结构以中间位置的电极作为接地端，以两侧位置的电极作为检测电极；以及

两个驱动电极，分别位于所述双端固支梁的两侧，在该两个驱动电极上施加直流、交流驱动电压，以静电力驱动该双端固支梁发生音叉振动，其中，所述接地端和两个检测电极能够连接至电阻/电压检测电路以测量所述体压阻上的电阻/电压随该音叉振动而产生的变化；以及

六个锚点，由SOI片的绝缘层形成，分别位于所述双端固支梁的两端部的三电极结构下方，将所述双端固支梁固支于所述压力敏感膜上。

2.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述谐振器为两个，并且具有相同的结构，分别位于所述压力敏感膜上方的相对中间区域和相对边缘区域，以进行压力和温度的双参数测量。

3.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述两个驱动电极分别与相邻的单梁形成平板电容或梳齿电容，以产生能够驱动该双端固支梁发生音叉振动的静电力。

4.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述传感器本体还包括位于所述压力敏感膜外围的若干引线端子，由所述SOI片的器件层形成，所述若干引线端子分别连接至谐振器的接地端、驱动电极和检测电极。

5.根据权利要求4所述的谐振式压力传感器，其特征在于，位于每个所述引线端子的中心位置处穿过所述基底层和绝缘层形成有引线孔，所述引线孔内形成有金属焊盘，在该金属焊盘上压焊引线，以连接至外部电路。

6.根据权利要求5所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述引线孔的外围一圈形成有电气隔离槽。

7.根据权利要求4所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述引线端子的外围形成有电气隔离槽。

8.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述谐振式压力传感器还包括玻璃盖板，其与SOI片通过阳极键合以将所述谐振器封装在真空环境中，其中所述玻璃盖板与压力敏感膜相对应的位置形成有一空腔。

9.根据权利要求8所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述空腔内沉积有吸气剂。

10.一种如权利要求1至9任意一项所述的谐振式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：在SOI片的基底层上刻蚀形成引线孔和压力敏感膜；

步骤B：在所述SOI片的器件层上刻蚀形成谐振器和引线端子，谐振器通过腐蚀所述SOI片暴露的绝缘层而释放；

步骤C：在玻璃基板上制作空腔，并沉积吸气剂，形成玻璃盖板；

步骤D：所述SOI片和玻璃盖板进行阳极键合以将谐振器密封在真空腔内；

步骤E：在引线孔内通过溅射金属制作金属焊盘。