CN109879239B - 一种双h型受压梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法，传感器芯片包括谐振层和承压膜片，谐振层包括谐振梁和平衡梁，四根谐振梁组成一组H型梁，H型梁共有两组且对称设置，谐振梁端部均固定在平衡梁上，两根平衡梁通过谐振梁的延伸部分与刚性质量块连接，相邻的谐振梁之间设置有质量块，质量块中部设置有耦合梁，耦合梁中部设置有拾振电阻，位于外侧的两个质量块分别与两个可动电极固定连接。当压力施加在承压膜片加载时，谐振梁受压产生形变，导致谐振梁的固有频率发生改变，同时通过固定电极激励谐振梁振动，谐振状态时，耦合梁上拾振电阻分别循环处于受压/受拉状态，基于压阻效应使得拾振电阻值发生变化，从而拾取谐振梁固有频率。

Description

一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于微纳电子传感器技术领域，具体涉及一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法。

背景技术

硅谐振式压力传感器是目前精度最高的压力传感器，通过检测谐振结构的固有频率来间接测量压力，为准数字输出。其精度主要受结构机械特性的影响，因此抗干扰能力强，性能稳定。除此之外，硅谐振式压力传感器还具有频带宽、结构紧凑、功耗低、体积小、重量轻、可批量生产等优点，一直是各国研究的重点。硅微谐振压力传感器可以应用于机载大气数据测试系统、航空大气数据校验仪、机舱压力测试、航空航天地面测试系统和高性能风洞等领域，可以做成压力探头嵌入机身、机翼等用于分布压力测量，是大型运输机、新型战斗机、空天飞行器、巡航导弹、航空母舰、直升机和无人机等重大工程的核心器件。

在硅谐振压力传感器研发方面，英国、日本、法国、美国等国家已经取得了一系列的成果。但是目前已经成功商业化且大批量应用的硅微谐振式压力传感器主要有两家公司，分别是英国DRUCK公司与日本横河电机株式会社。英国的DRUCK公司的硅微谐振压力传感器主要是静电激励、压阻检测的方式，其敏感部分主要包括：谐振子、硅岛、压力敏感膜片和四周固定的边框四部分组成。其中谐振子是采用浓硼自停止刻蚀技术得到的，综合精度小于0.01％FS，测量范围10-1300mbar。日本横河电机株式会社的硅微谐振压力传感器则采用电磁激励、电磁检测的工作方式，其谐振层是利用选择性外延生长和牺牲层技术得到，谐振梁位于真空腔内，并嵌入在压力敏感膜片的上表面，综合精度优于0.02％FS，温度系数小于5ppm/K。

硅谐振式传感器的灵敏度与精度是其主要的工作指标，因此在设计过程中，将这两个参数作为优化目标来设计谐振式压力传感器的结构。而目前大多数谐振式压力传感器品质因子较差且不稳定，容易造成驱动力不稳定，从而加大了闭环控制难度。大部分静电激励的谐振式传感器中，在加载后容易造成可动电极面外位移波动，从而加大了闭环控制难度；且在单压力膜片上，难以布置双H型谐振器，品质因子提升受限。

发明内容

本发明提供了一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法，以提高了硅谐振式传感器的检测精度与灵敏度。

为达到上述目的，本发明所述一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片，包括谐振层和承压膜片，承压膜片上固定有锚点；谐振层包括谐振梁和平衡梁，四根谐振梁组成一组H型梁，H型梁共有两组且对称设置，谐振梁一端固定在平衡梁上，两根平衡梁通过谐振梁的延伸部分与刚性质量块连接，相邻的谐振梁之间设置有质量块，位于中部的质量块中部设置有耦合梁，耦合梁中部设置有拾振电阻，位于外侧的两个质量块分别与两个可动电极固定连接，两个刚性质量块靠近谐振梁的一端分别与两个固定电极的两端连接，刚性质量块与连接点固定连接，连接点固定在锚点上。

进一步的，固定电极与可动电极均为梳齿电极。

进一步的，刚性质量块上设置有扭转梁，刚性质量块通过扭转梁与连接梁固定连接。

进一步的，耦合梁的厚度为谐振层整体厚度的10％-100％。

进一步的，拾振电阻以耦合梁的中心线为对称轴对称布置。

进一步的，连接梁与谐振梁成30°～80°的夹角。

进一步的，每组H型谐振梁包括四根谐振梁。

一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：对承压膜硅片进行双面热氧化，在承压膜硅片上下表面各形成一层二氧化硅；

步骤2：光刻蚀使二氧化硅层图案化；

步骤3：将承压膜片硅片进行湿法刻蚀，形成锚点；

步骤4：将步骤3得到的结构进行热氧化，在其表面形成氧化硅；

步骤5：对谐振层硅片进行双面热氧化，形成掩膜层，并在掩膜层上涂胶，然后进行光刻使SiO₂图案化；

步骤6：将谐振层硅片去胶并进行深反应离子刻蚀，形成耦合梁减薄区域，然后去除表面掩膜层SiO₂；

步骤7；将步骤6得到的结构和步骤4得到的结构进行真空键合；

步骤8：将步骤7得到的结构进行减薄、研磨、化学机械抛光；

步骤9：对步骤8得到的结构进行化学气相沉积二氧化硅层作为掩膜层，光刻使正面化学气相沉积的二氧化硅层图案化，去除正面轻掺杂区域内的热氧二氧化硅层；利用二氧化硅层充当掩膜，然后进行硼离子轻掺杂，形成轻掺杂区，即敏感电阻；然后进行再分布的阱推扩散退火，使敏感电阻的杂质浓度均匀分布；

步骤10：淀积二氧化硅层，图案化并去除正面重掺杂区域内的淀积二氧化硅层，其余区域的二氧化硅层充当掩膜；进行硼离子重掺杂，形成低阻值的欧姆接触区，并进行再分布扩散退火过程，使得欧姆接触区的杂质浓度均匀分布；

步骤11：在步骤10得到的结构上端面整个表面制作出Ti/Al层，然后去除金属引线和金属焊盘外其他区域的金属层，形成金属引线和金属焊盘结构，并进行合金化过程；去除SiO2掩膜；

步骤12：在步骤11得到的结构的上表面PECVD二氧化硅层，然后进行光刻，使二氧化硅层图案化，剩余的二氧化硅层充当DRIE掩膜层；

步骤13：对步骤12形成的结构进行深反应离子刻蚀，形成谐振层整体结构；

步骤14：在步骤13形成的结构背面旋涂光刻胶并进行光刻感压膜窗口，然后单面腐蚀感压膜窗口，去除SiO₂，然后进行湿法刻蚀，形成承压膜片；

步骤15：利用湿法去除谐振层表面所有二氧化硅层；

步骤16：将步骤15得到的结构与密封盖、以及玻璃导压板进行真空阳极键合，完成整体封装。

进一步的，谐振层、承压膜片均使用双面抛光N型半导体硅片，密封盖与玻璃导压板均为Pyrex玻璃。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，两组H型谐振梁对称分布，耦合梁实现两组谐振梁的振动模态耦合与电阻拾振功能。在受压感应膜片加载时，锚点沿Y轴向外侧方向产生变形，从而带动刚性质量块产生沿X轴向内侧方向的平移，谐振梁受压产生形变，导致谐振梁固有频率发生改变，同时通过固定电极激励谐振梁振动，谐振状态时，耦合梁上拾振电阻分别循环处于受压/受拉状态，基于压阻效应使得拾振电阻值发生变化，从而拾取谐振梁固有频率。该结构通过传递梁与刚性质量块实现了受拉(连接梁)与受压(谐振梁)之间的转换，有效地提高了灵敏度。刚性质量块主要作用为降低谐振器面内扭动，保证其受压力载荷之后结构稳定性。

进一步的，刚性质量块上设置有扭转梁，刚性质量块通过扭转梁与连接梁固定连接，扭转梁作用为降低整个谐振器面外位移。

进一步的，固定电极与承压膜片固定连接，通过固定电极与可动电极面内振动的一体化设计，降低了加载以及振动过程面外相对位移差，可降低传感器控制难度，通过H型梁的对称设计，降低了谐振层与承压膜片间能量交互，提高了品质因子与传感器精度。

进一步的，耦合梁的厚度为谐振层整体厚度的10％-100％，用于调节工作模态基础频率。

进一步的，连接梁与谐振梁成30°～80°的夹角，该夹角用来调节传感器灵敏度。

刚性质量块上设置有扭转梁，降低了谐振层的可动电极与固定电极间的相对面外位移，降低了驱动力的不稳定性，从而降低了电路控制难度。

附图说明

图1为谐振压力传感器芯片整体示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为图1的纵剖图；

图4为谐振层结构示意图；

图5为拾振电阻布置示意图；

图6为承压膜片示意图；

图7为本发明的工艺流程图；

附图中：1-玻璃导压板、2-承压膜片、3-谐振层、4-密封盖、5-连接点、6-连接梁、7-扭转梁、8-刚性质量块、9-谐振梁、10-质量块、11-固定电极、12-可动电极、13-耦合梁、14-S型柔性梁、15-平衡梁、16-固定电极连接梁，17-金属引线、18-拾振电阻、20-锚点、21-承压膜片硅片、22-谐振层硅片、23-氧化硅、24-光刻胶、25-轻掺杂区、26-重掺杂区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1至图3，一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片包括自下向上依次固定连接的玻璃导压板1、承压膜片2、谐振层3和密封盖4，玻璃导压板1与密封盖4通过真空键合完成封装，谐振层3与承压膜片2上的两条矩形锚点20键合，承压膜片2通过玻璃导压板1承受外界压力而变形，然后带动锚点20产生Y向位移。

参照图2和图4，谐振层3包括连接点5、连接梁6、扭转梁7、刚性质量块8、谐振梁9、质量块10、固定电极11、可动电极12、耦合梁13、S型柔性梁14、平衡梁15和固定电极连接梁16。谐振层3通过连接点5与承压膜片2上的锚点20连接。谐振梁9共有八根，每四根相互平行形成一组H型梁，两组H型梁对称设置，两根平衡梁15通过谐振梁9的延伸部分与刚性质量块8连接，左右对称；八根谐振梁9端部均固定在平衡梁15上；相邻的谐振梁9之间设置有质量块10，最中间的质量块10中部设置有耦合梁13，位于外侧的两个质量块10分别与两个可动电极12固定连接，两个刚性质量块8靠近谐振梁9的一端通过固定电极连接梁16分别与两个固定电极11的两端固定连接。刚性质量块8前后两端均与扭转梁7固定连接，扭转梁7通过连接梁6与连接点5固定连接，连接点5固定在锚点20正上方。谐振层通过S型柔性梁14与外部实现电气连接。

连接梁6与谐振梁9成30°～80°的夹角，耦合梁13实现两组谐振梁的振动模态耦合与电阻拾振功能，耦合梁13由两根梁双端连接而成，形成矩形框结构，耦合梁13中部与质量块10中心连接。

参照图5，耦合梁13中部设置有拾振电阻18，拾振电阻18通过金属引线17与芯片外围的电路连接。

传感器采用受拉转受压结构设计，转换效率可以调节，从而实现灵敏度可调；承压膜片2在受压情况下带动锚点20沿Y轴向外侧方向变形，锚点20的X方向位置基本不变，通过连接梁6带动谐振层3的两个刚性质量块8沿X轴向内侧方向变形，从而使两组H型谐振梁受压，导致谐振梁9的固有频率降低。传感器通过连接梁6的角度可以调节锚点Y向变形与刚性质量块X向位移的转换效率。

固定电极11通过固定电极连接梁16与刚性质量块8固定连接，谐振梁9通过静电激励，固定电极11与可动电极12为一体式设计，固定电极11与可动电极12均为梳齿电极，在加载过程中两者在面外方向相对位移差极小，提高了驱动力的稳定性，降低了闭环电路控制难度。

刚性质量块8主要用于将锚点20处的Y向位移转化为谐振梁9的X向位移，刚性质量块8上设置有扭转梁7，消除了因为压力膜片翘曲而带来的连接梁上的X轴弯矩，降低了谐振层的可动电极12与固定电极11间的相对面外位移，提高了驱动力的稳定性，从而降低了闭环电路控制难度。

通过耦合梁13进行双H型梁的耦合，并将拾振电阻18放置于耦合梁13上，当处于二阶模态状态(对侧振动)时，拾振电阻将循环处于受压/受拉状态，此时谐振层将处于工作状态；当双H梁处于一阶模态时(同侧振动)，耦合梁拾振电路无变形，将无信号输出，此时传感器不工作；拾振电阻18的宽度与长度由设计确定。

耦合梁13相对谐振梁9与质量块10的厚度，只有谐振层整体厚度的10％-100％，可有效调节谐振梁工作模态的基础频率。

优选的，拾振电阻18以谐振层3的耦合梁13中心线双面对称布置，如示意图5所示。

优选的，拾振电阻通过金属引线17及焊盘组成惠斯通半桥电路。

优选的，传感器通过焊盘与外界电路实现连通。

参照图6，优选的，锚点20形状为长条形锚点，实现与谐振层3的连接。调节锚点20的高度可有效调节传感器的灵敏度。

通过传递梁与刚性质量块实现了受拉(连接梁)与受压(谐振梁)之间的转换；通过减薄耦合梁的设计有效降低了谐振层附加刚度与附加质量，提高了检测精度、降低了控制难度；通过对称H型梁设计，降低了谐振梁与承压膜片直接的能量交换，提高了传感器品质因子，提升了检测精度；通过固定电极与可动电极随动设计，降低了加载以及振动过程面外相对位移差，降低了控制难度。该谐振层检测灵敏度可在10Hz/kPa-35Hz/kPa范围内可调，精度优于0.01％FS；传感器的量程可通过改变承压膜片厚度及锚点高度进行调节。

一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片的制备方法，原材料为：谐振层3、承压膜片2均使用双面抛光N型硅片，密封盖4与玻璃导压板1均为Pyrex玻璃；参照图7，具体包括以下步骤：

步骤1：对承压膜硅片21进行双面热氧化，在承压膜硅片21上下表面各形成一层氧化硅23；

步骤2：在硅片21上表面的氧化硅上涂光刻胶24，然后光刻刻蚀使二氧化硅层图案化；

步骤3：将承压膜片硅片21进行湿法刻蚀，形成锚点20；

步骤4：将步骤3得到的结构进行热氧化，在其表面形成200nm的氧化硅；

步骤5：对谐振层硅片进行双面热氧化，形成掩膜层，并在掩膜层上涂胶，然后进行光刻刻蚀使SiO₂图案化；

步骤6：将谐振层硅片22去胶并进行深反应离子刻蚀，形成耦合梁减薄区域，然后去除表面掩膜层SiO₂；

步骤7；将步骤6得到的结构和步骤4得到的结构进行真空键合；

步骤8：将步骤7得到的结构进行减薄、研磨、化学机械抛光；

步骤9：对步骤8得到的结构进行化学气相沉积SiO₂层作为掩膜层，光刻使正面化学气相沉积的二氧化硅层图案化，去除正面轻掺杂区域内的热氧二氧化硅层；利用二氧化硅层充当掩膜，然后进行硼离子轻掺杂，形成轻掺杂区25，使得该区域方块电阻大小约为220Ω/，即敏感电阻；然后进行再分布的阱推扩散退火，使敏感电阻的杂质浓度均匀分布；

步骤10：淀积二氧化硅层，图案化并去除正面重掺杂区域内的淀积二氧化硅层，其余区域的二氧化硅层充当掩膜；进行硼离子重掺杂，使得该区域方块电阻大小约为10Ω/，形成低阻值的欧姆接触区，并进行再分布扩散退火过程，使得欧姆接触区的杂质浓度均匀分布；

步骤11：在步骤10得到的结构上端面整个表面制作出Ti/Al

层，然后去除金属引线和金属焊盘外其他区域的金属层，形成金属引线17和金属焊盘结构，并在500℃条件下进行30分钟合金化过程；去除SiO₂掩膜；

步骤12：在步骤11得到的结构的上表面PECVD二氧化硅层，旋涂光刻胶，然后进行光刻，使二氧化硅层图案化，剩余的二氧化硅层充当DRIE掩膜层，并去除光刻胶；

步骤13：对步骤12形成的结构进行深反应离子刻蚀，形成谐振层整体结构；

步骤14：在步骤13形成的结构背面(下部)旋涂光刻胶24并进行光刻感压膜窗口，然后HF单面腐蚀感压膜窗口，去除SiO₂，进行湿法刻蚀至指定厚度(20μm～100μm)，形成承压膜片2；

步骤15：利用湿法去除谐振层表面所有二氧化硅层；

步骤16：将步骤15得到的结构与密封盖4、以及玻璃导压板1进行真空阳极键合，完成整体封装。

该发明优选实例可达到的技术指标如下：

1)压力量程：0-130kPa

2)测量精度：0.01％FS

3)响应时间：≤100ms

4)过压保护压力：200％FS；

5)使用温度范围：-50℃-125℃

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片，其特征在于，包括谐振层(3)和承压膜片(2)，承压膜片(2)上固定有锚点(20)；谐振层(3)包括谐振梁(9)和平衡梁(15)，四根谐振梁(9)组成一组H型梁，H型梁共有两组且对称设置，谐振梁(9)一端固定在平衡梁(15)上，两根平衡梁(15)通过谐振梁(9)的延伸部分与刚性质量块(8)连接，相邻的谐振梁(9)之间设置有质量块(10)，位于中部的质量块(10)中部设置有耦合梁(13)，耦合梁(13)中部设置有拾振电阻(18)，位于外侧的两个质量块(10)分别与两个可动电极(12)固定连接，两个刚性质量块(8)靠近谐振梁(9)的一端分别与两个固定电极(11)的两端连接，刚性质量块(8)通过扭转梁(7)、连接梁(6)与连接点(5)固定连接，连接点(5)固定在锚点(20)上。

2.根据权利要求1所述的一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片，其特征在于，固定电极(11)通过锚点(20)与承压膜片(2)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片，其特征在于，固定电极(11)与可动电极(12)均为梳齿电极。

4.根据权利要求1所述的一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片，其特征在于，刚性质量块(8)上设置有扭转梁(7)，刚性质量块(8)通过扭转梁(7)与连接梁(6)固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片，其特征在于，耦合梁(13)的厚度为谐振层(3)整体厚度的10％-100％。

6.根据权利要求1所述的一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片，其特征在于，拾振电阻(18)以耦合梁(13)的中心线对称布置。

7.根据权利要求1所述的一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片，其特征在于，连接梁(6)与谐振梁(9)成30°～80°的夹角。

8.一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对承压膜硅片(21)进行双面热氧化，在承压膜硅片(21)上下表面各形成一层二氧化硅(23)；

步骤2：光刻蚀使二氧化硅层图案化；

步骤3：将承压膜片硅片(21)进行湿法刻蚀，形成锚点(20)；

步骤4：将步骤3得到的结构进行热氧化，在其表面形成氧化硅；

步骤5：对谐振层硅片(22)进行双面热氧化，形成掩膜层，并在掩膜层上涂胶，然后进行光刻使SiO₂图案化；

步骤6：将谐振层硅片(22)去胶并进行深反应离子刻蚀，形成耦合梁减薄区域，然后去除表面掩膜层SiO₂；

步骤7：将步骤6得到的结构和步骤4得到的结构进行真空键合；

步骤8：将步骤7得到的结构进行减薄、研磨、化学机械抛光；

步骤9：对步骤8得到的结构进行化学气相沉积二氧化硅层作为掩膜层，光刻使正面二氧化硅层图案化，去除正面轻掺杂区域内的二氧化硅层；利用二氧化硅层充当掩模，然后进行硼离子轻掺杂，形成轻掺杂区(25)，即敏感电阻；然后进行再分布的阱推扩散退火，使敏感电阻的杂质浓度均匀分布；

步骤10：淀积二氧化硅层，图案化并去除正面重掺杂区域内的淀积二氧化硅层，其余区域的二氧化硅层充当掩膜；进行硼离子重掺杂，形成低阻值的欧姆接触区，并进行再分布扩散退火过程，使得欧姆接触区的杂质浓度均匀分布；

步骤11：在步骤10得到的结构上端面整个表面制作出Ti/Al层，然后去除金属引线和金属焊盘外其他区域的金属层，形成金属引线和金属焊盘结构，并进行合金化过程；去除SiO₂掩膜；

步骤12：在步骤11得到的结构的上表面PECVD二氧化硅层，然后进行光刻，使二氧化硅层图案化，剩余的二氧化硅层充当DRIE掩膜层；

步骤13：对步骤12形成的结构进行深反应离子刻蚀，形成谐振层整体结构；

步骤14：在步骤13形成的结构背面旋涂光刻胶并进行光刻感压膜窗口，然后单面腐蚀感压膜窗口，去除SiO₂，然后进行湿法刻蚀，形成承压膜片(2)；

步骤15：利用湿法去除谐振层表面所有二氧化硅层；

步骤16：将步骤15得到的结构与密封盖(4)、以及玻璃导压板(1)进行真空阳极键合，完成整体封装。

9.根据权利要求8所述的一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片的制备方法，其特征在于，谐振层(3)、承压膜片(2)均使用双面抛光N型半导体硅片，密封盖(4)与玻璃导压板(1)均为Pyrex玻璃。

Images