CN109883602A - 一种基于soi的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片 - Google Patents

Abstract

一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片，涉及一种谐振式压力敏感芯片。本发明解决了现有谐振式压力敏感芯片谐振器受到外界因素影响而导致谐振频率漂移的问题。本发明包括第一谐振器(1)和第二谐振器(2),第一谐振器(1)和第二谐振器(2)水平并排安装在硅片上,且第一谐振器(1)的下面刻蚀减薄，用于测量待测压力信息；第二谐振器(2)的下面未刻蚀，用于测量除了压力以外的其他信息，补偿误差因素对第一谐振器(1)谐振频率的影响；第一谐振器(1)和第二谐振器(2)的运动方向和结构相同。本发明用于自补偿硅微谐振式压力敏感芯片。

Description

一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片

技术领域

一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片，本发明涉及传感器技术领域，它为了解决硅微谐振式压力传感器受外界干扰而产生的谐振频率漂移问题。

背景技术

谐振式压力传感器已在许多行业获得了成功的应用，其中，以微机械加工工艺实现的微型硅或石英谐振式传感器除了具有结构微小、功耗低、响应快、重复性好、稳定性和可靠性高外，还具备频带宽、信噪比高、抗冲击、抗干扰能力强、易集成、可大批量生产、成本低等优点，得到世界各国的广泛关注和重点开发。

谐振式压力传感器因其高灵敏度而对引起谐振器应力变化的因素包括但是不限于温度、应力、加速度等非常敏感，这会导致传感器的稳定性出现问题。

重庆大学牟笑静等人发明专利申请CN201810778687.X采用相互垂直的两个谐振器进行差分，消除温度波动的影响。

西安励德微系统科技公司孙明发明专利申请CN201510350718.8采用对称结构的两个谐振器进行相反方向运动，实现抑制同频干扰。

中国科学院电子学研究所王军波等人发明专利申请CN201310092955.X采用复合同振质量的压力敏感膜结构，并进行低应力组装，实现机械应力和热应力的降低。

以温度应力为例，温度变化使得谐振器及敏感压力膜产生微小形变，致使谐振器的固有频率发生变化，与激励频率存在误差，导致谐振器的输出与理想值之间存在一定的误差，即温度漂移。

发明内容

本发明为了解决现有谐振式压力敏感芯片谐振器受到外界因素不包括压力影响而导致谐振频率漂移的问题。提供了一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片。

本发明的技术方案是一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片，它包括第一谐振器和第二谐振器,第一谐振器和第二谐振器水平并排安装在硅片上,且第一谐振器的下面刻蚀减薄，用于测量待测压力信息；第二谐振器的下面未刻蚀，用于测量除了压力以外的其他信息，补偿误差因素对第一谐振器谐振频率的影响；第一谐振器和第二谐振器的运动方向和结构相同；

第一谐振器或第二谐振器均包括第一引出电极、第二引出电极、第三引出电极、第四引出电极、第一驱动电极、第二驱动电极、第三驱动电极、备用电极、第一锚块、第二锚块、下横拉梁、上横拉梁、上谐振单元、下谐振单元、第一连接块、第二连接块、第三连接块、第四连接块、驱动电极通路、备用电极通路、第一连接梁、第四连接梁、第五连接梁、第七连接梁、第二连接梁、第三连接梁、第六连接梁和第八连接梁，

第一引出电极、第三驱动电极和第四引出电极位于同一排，第二引出电极、第二驱动电极和第三引出电极位于同一排，第一锚块和第二锚块安装在第二驱动电极和第三驱动电极之间，第一锚块和第二锚块之间分别通过下横拉梁和上横拉梁连接，下横拉梁和上横拉梁与第二驱动电极和第三驱动电极之间分别通过上谐振单元和下谐振单元连接，第一连接块和第二连接块连接后安装在第一锚块的外侧，第三连接块和第四连接块连接后安装在第二锚块的外侧，第一驱动电极与第一连接块和第二连接块之间通过驱动电极通路连接，备用电极与第三连接块和第四连接块之间通过备用电极通路连接，第一引出电极与上谐振单元之间通过第一连接梁连接，第二引出电极与下谐振单元之间通过第四连接梁连接，第三引出电极与下谐振单元之间通过第五连接梁连接，第四引出电极与上谐振单元之间通过第八连接梁连接，第一连接块与上谐振单元之间通过第二连接梁连接，第二连接块与下谐振单元之间通过第三连接梁连接，第三连接块与下谐振单元之间通过第六连接梁连接，第四连接块与上谐振单元之间通过第七连接梁连接。

进一步地，下横拉梁和上横拉梁与第一锚块的交汇处的左侧设有第一锚块孔和第二锚块孔。

进一步地，下横拉梁和上横拉梁与第二锚块的交汇处设有第三锚块孔和第四锚块孔。

进一步地，下谐振单元包括下敏感梳齿电极、第一连接支撑梁、第一稳固梁、下质量块、第二稳固梁和第二连接支撑梁，下敏感梳齿电极安装在第二驱动电极上组成阵列电容，第一连接支撑梁将下敏感梳齿电极与第三连接梁和第四连接梁连接为一体，形成稳定的左下三角支撑；第二连接支撑梁将下敏感梳齿电极与第五连接梁和第六连接梁连接为一体，形成稳定的右下三角支撑；左下三角支撑与右下三角支撑之间设有下质量块，下质量块通过左右两侧的第一稳固梁和第二稳固梁与下敏感梳齿电极连接；下质量块的上端与上横拉梁之间设有第二谐振孔，下质量块的下端与下敏感梳齿电极之间设有第一谐振孔。

进一步地，第二谐振孔的宽度为第一谐振孔宽度的2倍。

进一步地，上谐振单元包括上敏感梳齿电极、第四连接支撑梁、第四稳固梁、上质量块、第三稳固梁和第三连接支撑梁，上敏感梳齿电极安装在第三驱动电极上组成阵列电容，第四连接支撑梁将上敏感梳齿电极与第一连接梁和第二连接梁连接为一体，形成稳定的左上三角支撑；第三连接支撑梁将上敏感梳齿电极与第七连接梁和第八连接梁连接为一体，形成稳定的右上三角支撑；左上三角支撑和右上三角支撑之间设有上质量块，上质量块通过左右两侧的第三稳固梁和第四稳固梁与上敏感梳齿电极连接；上质量块的上端与上敏感梳齿电极之间设有第三谐振孔，上质量块的下端与上横拉梁之间设有第四谐振孔。

进一步地，第四谐振孔的宽度为第三谐振孔宽度的2倍。

本发明与现有技术相比具有以下改进效果：

1、本发明由静电提供激励，第一驱动电极401为静电激励的正极或负极，第二驱动电极402和第三驱动电极403与第一驱动电极极性相反，分别与之配合的下敏感梳齿电极801、上敏感梳齿电极802产生静电，在该静电激励的驱动下，下质量块131、上质量块132发生振动，当静电激励的变化频率与第一连接支撑梁901、第二连接支撑梁902、第一稳固梁111、第一谐振孔121、下质量块131、第二谐振孔122、第二稳固梁112、横拉梁141组成的下谐振单元以及第三连接支撑梁903、第四连接支撑梁904、第三稳固梁113、第三谐振孔123、上质量块132、第四谐振孔124、第四稳固梁114、横拉梁142组成的上谐振单元的固有频率耦合时，发生谐振现象，上、下谐振单元的振幅变化明显，谐振单元的一阶振型为沿平行于长方形短边方向的同向振动，二阶振型为沿平行于长方形短边方向的相向振动，该振型为所需的测试振型。当固定于第一锚块701、备用电极锚块702的复合压力敏感模型收到测试介质的压力时，该谐振器的固有固有频率发生变化，但其二阶振型不发生变化，因此避免了复合压力敏感膜片同振质量的影响，产品精度得到很大程度的提高。

2、本发明采用两个谐振器并列放置方式，其中一个谐振器1至于压力敏感膜上，另一个谐振器2至于体硅上，该硅片不进行腐蚀；谐振器2置于的硅片未进行腐蚀，所以基本不受被测压力的影响，而谐振器1所处的位置为压力敏感膜，受到被测压力的影响，用以测量被测压力；同时，因两个谐振器并列放置，受到外界应力温度应力、加速度、振动等的量值视为一致存在极小区别，可忽略不计，当进行压力测量时，谐振器1既受到压力影响，也受到外界应力的影响，而谐振器2不受压力影响，只受到外界应力影响，将两个谐振器的输出做差分处理，进而排除掉外界应力的影响，即解决了漂移问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的剖视示意图。

图3是图2的俯视图

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片，它包括第一谐振器1和第二谐振器2,第一谐振器1和第二谐振器2水平并排安装在硅片上,且第一谐振器1的下面刻蚀减薄，用于测量待测压力信息；第二谐振器2的下面未刻蚀，用于测量除了压力以外的其他信息，补偿误差因素对第一谐振器1谐振频率的影响；第一谐振器1和第二谐振器2的运动方向和结构相同；

第一谐振器1或第二谐振器2均包括第一引出电极101、第二引出电极102、第三引出电极103、第四引出电极104、第一驱动电极401、第二驱动电极402、第三驱动电极403、备用电极15、第一锚块701、第二锚块702、下横拉梁142、上横拉梁141、上谐振单元、下谐振单元、第一连接块301、第二连接块302、第三连接块303、第四连接块304、驱动电极通路501、备用电极通路502、第一连接梁201、第四连接梁204、第五连接梁205、第七连接梁207、第二连接梁202、第三连接梁203、第六连接梁206和第八连接梁208，

第一引出电极101、第三驱动电极403和第四引出电极104位于同一排，第二引出电极102、第二驱动电极402和第三引出电极103位于同一排，第一锚块701和第二锚块702安装在第二驱动电极402和第三驱动电极403之间，第一锚块701和第二锚块702之间分别通过下横拉梁142和上横拉梁141连接，下横拉梁142和上横拉梁141与第二驱动电极402和第三驱动电极403之间分别通过上谐振单元和下谐振单元连接，第一连接块301和第二连接块302连接后安装在第一锚块701的外侧，第三连接块303和第四连接块304连接后安装在第二锚块702的外侧，第一驱动电极401与第一连接块301和第二连接块302之间通过驱动电极通路501连接，备用电极15与第三连接块303和第四连接块304之间通过备用电极通路502连接，第一引出电极101与上谐振单元之间通过第一连接梁201连接，第二引出电极102与下谐振单元之间通过第四连接梁204连接，第三引出电极103与下谐振单元之间通过第五连接梁205连接，第四引出电极104与上谐振单元之间通过第八连接梁208连接，第一连接块301与上谐振单元之间通过第二连接梁202连接，第二连接块302与下谐振单元之间通过第三连接梁203连接，第三连接块303与下谐振单元之间通过第六连接梁206连接，第四连接块304与上谐振单元之间通过第七连接梁207连接。

本实施方式的谐振器整体为长方形，且分别关于该长方形的长边、短边的中心线呈轴对称图形。

本实施方式处于敏感梳齿电极802左侧的第一连接梁201和第二连接梁202不在同一条直线上，第一连接梁201相对第二连接梁202靠左。处于敏感梳齿电极802右侧的第七连接梁207和第八连接梁208不在同一条直线上，第八连接梁208相对第七连接梁207靠右；处于敏感梳齿电极801左侧的第三连接梁203和第四连接梁204不在同一条直线上，第四连接梁204相对第三连接梁203靠左。处于敏感梳齿电极801右侧的第五连接梁205和第六连接梁206不在同一条直线上，第五连接梁205相对第六连接梁206靠右；降低下谐振单元产生的电信号、第六连接梁206中传递的电信号对第五连接梁205以及第三引出电极103的影响。

本实施方式的第二谐振器2用于测量除了压力以外的其他信息，补偿误差因素对第一谐振器1谐振频率的影响；误差因素包括但是不限于温度、应力、加速度等。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的下横拉梁142和上横拉梁141与第一锚块701的交汇处的左侧设有第一锚块孔601和第二锚块孔602。如此设置，降低因压力敏感膜的形变，第一锚块701对上、下谐振单元的内应力及阻尼的影响，进而提高谐振品质因子。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的下横拉梁142和上横拉梁141与第二锚块702的交汇处设有第三锚块孔603和第四锚块孔604。如此设置，降低因压力敏感膜的形变，第二锚块702对上、下谐振单元的内应力及阻尼的影响，进而。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的下谐振单元包括下敏感梳齿电极801、第一连接支撑梁901、第一稳固梁111、下质量块131、第二稳固梁112和第二连接支撑梁902，下敏感梳齿电极801安装在第二驱动电极402上组成阵列电容，第一连接支撑梁901将下敏感梳齿电极801与第三连接梁203和第四连接梁204连接为一体，形成稳定的左下三角支撑；第二连接支撑梁902将下敏感梳齿电极801与第五连接梁205和第六连接梁206连接为一体，形成稳定的右下三角支撑；左下三角支撑与右下三角支撑之间设有下质量块131，下质量块131通过左右两侧的第一稳固梁111和第二稳固梁112与下敏感梳齿电极801连接；下质量块131的上端与上横拉梁141之间设有第二谐振孔122，下质量块131的下端与下敏感梳齿电极801之间设有第一谐振孔121。如此设置，可提高下谐振单元的基频，且易于下谐振单元的起振，在工作状态下也便于保证下谐振单元的强度和稳定。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式的第一稳固梁111和第二至稳固梁112处于质量块131两侧，且关于长方形长边中心线对称；第一稳固梁111至第二稳固梁112将下质量块131和敏感梳齿电极801连接，形成两个稳定的三角固支；

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第二谐振孔122的宽度为第一谐振孔121宽度的2倍。如此设置，使质量块131靠近敏感梳齿电极801以及三角支撑结构，除便于敏感梳齿电极801的起振及工作稳定外，远离上横拉梁141，减少其对质量块131的影响，并提高其基频。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的上谐振单元包括上敏感梳齿电极802、第四连接支撑梁904、第四稳固梁114、上质量块132、第三稳固梁113和第三连接支撑梁903，上敏感梳齿电极802安装在第三驱动电极403上组成阵列电容，第四连接支撑梁904将上敏感梳齿电极802与第一连接梁201和第二连接梁202连接为一体，形成稳定的左上三角支撑；第三连接支撑梁903将上敏感梳齿电极802与第七连接梁207和第八连接梁208连接为一体，形成稳定的右上三角支撑；左上三角支撑和右上三角支撑之间设有上质量块132，上质量块132通过左右两侧的第三稳固梁113和第四稳固梁114与上敏感梳齿电极802连接；上质量块132的上端与上敏感梳齿电极802之间设有第三谐振孔123，上质量块132的下端与上横拉梁142之间设有第四谐振孔124。如此设置，可提高下谐振单元的基频，且易于下谐振单元的起振，在工作状态下也便于保证下谐振单元的强度和稳定。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

本实施方式的第三稳固梁113和第四稳固梁114处于上质量块132的两侧，且关于长方形长边中心线对称；第三稳固梁113至第四稳固梁114将上质量块132和敏感梳齿电极802连接，形成两个稳定的三角固支。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第四谐振孔124的宽度为第三谐振孔123宽度的2倍。如此设置，使质量块132靠近敏感梳齿电极802以及三角支撑结构，除便于敏感梳齿电极802的起振及工作稳定外，远离上横拉梁142，减少其对质量块132的影响，并提高其基频。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片，其特征在于:它包括第一谐振器(1)和第二谐振器(2),第一谐振器(1)和第二谐振器(2)水平并排安装在硅片上,且第一谐振器(1)的下面刻蚀减薄，用于测量待测压力信息；第二谐振器(2)的下面未刻蚀，用于测量除了压力以外的其他信息，补偿误差因素对第一谐振器(1)谐振频率的影响；第一谐振器(1)和第二谐振器(2)的运动方向和结构相同；

第一谐振器(1)或第二谐振器(2)均包括第一引出电极(101)、第二引出电极(102)、第三引出电极(103)、第四引出电极(104)、第一驱动电极(401)、第二驱动电极(402)、第三驱动电极(403)、备用电极(15)、第一锚块(701)、第二锚块(702)、下横拉梁(142)、上横拉梁(141)、上谐振单元、下谐振单元、第一连接块(301)、第二连接块(302)、第三连接块(303)、第四连接块(304)、驱动电极通路(501)、备用电极通路(502)、第一连接梁(201)、第四连接梁(204)、第五连接梁(205)、第七连接梁(207)、第二连接梁(202)、第三连接梁(203)、第六连接梁(206)和第八连接梁(208)，

第一引出电极(101)、第三驱动电极(403)和第四引出电极(104)位于同一排，第二引出电极(102)、第二驱动电极(402)和第三引出电极(103)位于同一排，第一锚块(701)和第二锚块(702)安装在第二驱动电极(402)和第三驱动电极(403)之间，第一锚块(701)和第二锚块(702)之间分别通过下横拉梁(142)和上横拉梁(141)连接，下横拉梁(142)和上横拉梁(141)与第二驱动电极(402)和第三驱动电极(403)之间分别通过上谐振单元和下谐振单元连接，第一连接块(301)和第二连接块(302)连接后安装在第一锚块(701)的外侧，第三连接块(303)和第四连接块(304)连接后安装在第二锚块(702)的外侧，第一驱动电极(401)与第一连接块(301)和第二连接块(302)之间通过驱动电极通路(501)连接，备用电极(15)与第三连接块(303)和第四连接块(304)之间通过备用电极通路(502)连接，第一引出电极(101)与上谐振单元之间通过第一连接梁(201)连接，第二引出电极(102)与下谐振单元之间通过第四连接梁(204)连接，第三引出电极(103)与下谐振单元之间通过第五连接梁(205)连接，第四引出电极(104)与上谐振单元之间通过第八连接梁(208)连接，第一连接块(301)与上谐振单元之间通过第二连接梁(202)连接，第二连接块(302)与下谐振单元之间通过第三连接梁(203)连接，第三连接块(303)与下谐振单元之间通过第六连接梁(206)连接，第四连接块(304)与上谐振单元之间通过第七连接梁(207)连接。

2.根据权利要求1的一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片，其特征在于：下横拉梁(142)和上横拉梁(141)与第一锚块(701)的交汇处的左侧设有第一锚块孔(601)和第二锚块孔(602)。

3.根据权利要求2的一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片，其特征在于：下横拉梁(142)和上横拉梁(141)与第二锚块(702)的交汇处设有第三锚块孔(603)和第四锚块孔(604)。

4.根据权利要求3的一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片，其特征在于：下谐振单元包括下敏感梳齿电极(801)、第一连接支撑梁(901)、第一稳固梁(111)、下质量块(131)、第二稳固梁(112)和第二连接支撑梁(902)，下敏感梳齿电极(801)为阵列电容，第一连接支撑梁(901)将下敏感梳齿电极(801)上支、第三连接梁(203)和第四连接梁(204)连接为一体，形成稳定的左下三角支撑；第二连接支撑梁(902)将下敏感梳齿电极(801)上支、第五连接梁(205)和第六连接梁(206)连接为一体，形成稳定的右下三角支撑；左下三角支撑与右下三角支撑之间设有下质量块(131)，下质量块(131)通过左右两侧的第一稳固梁(111)和第二稳固梁(112)与下敏感梳齿电极(801)上支连接；下质量块(131)的上端与上横拉梁(141)之间设有第二谐振孔(122)，下质量块(131)的下端与下敏感梳齿电极上支(801)上支之间设有第一谐振孔(121)。

5.根据权利要求4的一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片，其特征在于：第二谐振孔(122)的宽度为第一谐振孔(121)宽度的2倍。

6.根据权利要求5的一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片，其特征在于：上谐振单元包括上敏感梳齿电极(802)、第四连接支撑梁(904)、第四稳固梁(114)、上质量块(132)、第三稳固梁(113)和第三连接支撑梁(903)，上敏感梳齿电极(802)为阵列电容，第四连接支撑梁(904)将上敏感梳齿电极(802)下支与第一连接梁(201)和第二连接梁(202)连接为一体，形成稳定的左上三角支撑；第三连接支撑梁(903)将上敏感梳齿电极(802)下支、第七连接梁(207)和第八连接梁(208)连接为一体，形成稳定的右上三角支撑；左上三角支撑和右上三角支撑之间设有上质量块(132)，上质量块(132)通过左右两侧的第三稳固梁(113)和第四稳固梁(114)与上敏感梳齿电极(802)下支连接；上质量块(132)的上端与上敏感梳齿电极(802)之间设有第三谐振孔(123)，上质量块(132)的下端与上横拉梁(142)之间设有第四谐振孔(124)。

7.根据权利要求6的一种基于SOI的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片，其特征在于：第四谐振孔(124)的宽度为第三谐振孔(123)宽度的2倍。