CN114593846A - 一种具有高q值的硅谐振式高压传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种具有高Q值的硅谐振式高压传感器及其制造方法，采用四个真空腔设计并在真空腔内沉积吸气剂，来维持较高的真空度，进而提高阳极键合后谐振器的Q值；同时耦合玻璃基座结构，提高传感器的耐压强度；以及采用梳齿静电驱动/压阻检测的双谐振器双腔耦合结构，实现传感器的温度自补偿，提高传感器的压力输出精度。该传感器制备方法简单，一致性高。本发明主要涉及MEMS传感器设计和加工领域，同时涉及高精度传感器检测和温度补偿等领域。

Description

一种具有高Q值的硅谐振式高压传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及MEMS微传感器领域，尤其涉及一种具有高Q值的硅谐振式高压传感器及其制造方法。
背景技术
在海洋科学、工业控制和石油勘探等高压测量领域，对高精度高压传感器的需求不断增大。目前较为成熟的高压传感器是压阻式高压传感器，但是该传感器存在着严重的温度漂移，进而影响测量精度。考虑到谐振式压力传感器的输出为准数字频率信号，适用于长距离传输，具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点，在压力测量领域得到了广泛应用。
根据敏感元件的材料不同，谐振式高压传感器可分为石英谐振式高压传感和硅谐振式高压传感器。与石英谐振式高压传感器相比，硅谐振式高压传感器具有可批量化制造，一致性高，制造工艺简单，成本较低的优点。所以硅谐振式高压传感器已经成为高压测量领域的研究重点。
对于硅谐振式高压传感器，为了提供谐振器振动空间和保证具有较高的品质因数，谐振器需要真空封装。同时为了保证高压传感器结构可以耐受较高量程的压力而不发生过形变或者破裂，且在较高压力测量范围内保证较高的灵敏度和线性度，需要减小真空腔的尺寸，这就导致真空腔内的吸气剂不足，难以为谐振器提供一个高真空，从而使谐振器Q值降低。同时，采用较大的单真空腔会降低传感器的结构强度，最终导致传感器的破坏。
另一方面，在谐振器信号的检测环节，电磁检测需要体积和质量较大的永磁体，不适合实际应用。电容检测可检测到的信号较微弱，且易受电流噪声的影响。和其他的检测方式相比，压阻检测不需要永磁体，压阻检测是利用材料的压阻效应来检测谐振器的谐振频率变化，可提高输出信号的信噪比。
综上所述，现有谐振式高压传感器在谐振器真空封装真空度、耐压强度以及检测上等存在一定的问题。
发明内容
为了解决目前谐振式高压传感器技术中谐振器Q值低、耐压强度弱等问题。本发明提出了一种可提高谐振器Q值的谐振式高压传感器，该传感器设计四个真空腔以及在真空腔内采用吸气剂，来维持较高的真空度，进而提高阳极键合后谐振器的Q值。同时在真空腔相对应位置键合玻璃基座，提高传感器的耐压强度，并采用双谐振器和双谐振腔实现传感器的自温度补偿，以减少温度干扰，提高压力灵敏度。其具有结构简单、加工容易、精度高和长期稳定性好的特点。
本发明的技术方案为：一种具有高Q值的硅谐振式高压传感器，包括：
从上到下依次包括玻璃盖板、SOI片和玻璃基座；
所述玻璃盖板包括两个方形谐振腔和四个圆形真空腔；
所述SOI片包括器件层，氧化层和衬底层三层；
SOI片上设置有两个谐振器、两个尺寸相等的方形压力敏感膜多个电极接线端子和电气隔离槽。
根据本发明的另一方面，还提出一种上述传感器的制造方法，包括如下步骤：
步骤一、SOI敏感单元加工；
步骤二、玻璃盖板加工；
步骤三、阳极键合真空封装；
步骤四、过孔内金属焊盘制作；
步骤五、键合玻璃基座。
有益效果：
本发明的主要优势如下：
1)采用双腔双谐振器耦合的方式，可表征压力的同时降低温度对高压传感器性能的影响，提高压力测量精度。采用将双腔双谐振器耦合结构放在高压传感器芯片的一侧，在一定程度上可以隔离后续组装结构带来的应力。且双膜双谐振器耦合结构在一次刻蚀工艺完成，不会增加工艺复杂度。
2)采用增加四个真空腔的方式，可提高高压传感器的真空度进而提高谐振器的Q值和封装效率，与传统的谐振式高压传感器相比，Q值可由1000以下提高至35000以上。
3)在增加四个真空腔提高真空度的同时，并在其相应位置采用键合玻璃基座的方法来保证了传感器耐压强度，同时也可以在一定程度上隔离后续组装上带来的应力。
4)SOI片的器件层和衬底层都是单层硅，其厚度可以精确控制。
5)采用梳齿静电激励/压阻检测方式，提高了传感器的输出信号强度，降低高压传感器的负刚度效应。
6)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。
附图说明
图1传感器芯体三维示意图；
图2SOI结构正视图；
图3传感器底视图；
其中：100-玻璃盖板；110-第一谐振腔；120-第二谐振腔；130-真空腔；140-吸气剂；200-SOI片；210-器件层；220-氧化层；230-衬底层；300-玻璃基座；400-第一谐振器；500-第二谐振器；
240-第一方形压力敏感膜；250-第二方形压力敏感膜；260-驱动电极接线端子；270-检测电极接线端子；280-接地电极接线端子；290-电气隔离槽；400-第一谐振器；500-第二谐振器；
200-SOI层；210-器件层；220-氧化层；230-衬底层；211-金属电极；
231-引线孔；232-第三压力敏感膜；300-玻璃基座。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1为本发明所述传感器的三维示意图。传感器主要包括玻璃盖板100、SOI片200和玻璃基座300两部分，玻璃盖板100包括两个方形谐振腔110和120以及四个圆形真空腔130。SOI片由器件层210，氧化层220和衬底层230三层组成。SOI片200用于制作敏感单元，包括两个谐振器400和500、两个尺寸相等的方形压力敏感膜240和250、10个电极接线端子和电气隔离槽290构成。
两个具有相同的结构与尺寸参数的谐振器400和500分别平行悬空放置在两个方形压力敏感膜240和250的不同位置(分别处于正负应力区)，以此感应两个敏感膜上不同的应力最终转换成频率变化。玻璃盖板100上的两个方形谐振腔(长度，宽度和深度大小相等)与两个方形压力敏感膜240和250的位置上下对应，且尺寸(包括长度和宽度)相同。同时，玻璃盖板100和SOI片200利用阳极键合技术分别将两个谐振器真空封装在平行的第一谐振腔110和第二谐振腔120中，为谐振器提供振动空间以及为传感器提供恒定的参考压力。为了吸收在阳极键合过程中释放的气体，提高谐振腔内的真空度，两个谐振腔110和120和四个真空腔130内均沉积一层吸气剂140。此外，在SOI衬底层相对应玻璃盖板四个真空腔的位置键合玻璃基座300来提高传感器芯片的耐压强度以及在一定程度上隔离后续组装上带来的应力。
图2是传感器的正视图。两个谐振器400和500具有相同的物理结构与尺寸，为了驱动悬空谐振器振动和检测其特征频率输出，在谐振器的两侧设计有梳齿驱动电极，在悬空谐振器末端设计有检测电极和接地电极，分别通过驱动电极接线端子260、检测电极接线端子270和接地电极接线端子280与外界电路相连。第一谐振器400固定于第一方形压力敏感膜240靠近中心(或位于中心)的位置，第二谐振器500固定于第二方形压力敏感膜250靠近边缘或者(偏离中心的位置)的位置，故当外界压力作用在传感器第三压力敏感膜232时，第一方形压力敏感膜在中间区域产生张应力，第二方形压力敏感膜在边缘区域产生压应力。第一谐振器400受到张应力的作用，谐振频率升高，第二谐振器500受到压应力的作用，谐振频率降低，且两个谐振器对于外界压力有相反的频率响应，因为谐振器结构和尺寸参数一致，所以两个谐振器对温度的敏感性一致，故可用这两个谐振器的频率之差来表征外界压力的大小，同时也可降低传感器的温度灵敏度，提高传感器的测量精度。电气隔离槽290的作用：一是用于实现各个电极接线端子的电气隔离，二是用于将两个谐振腔与四个真空腔相连通，使真空腔里的吸气剂也可以在谐振腔中发挥作用，进而提高谐振腔的真空度，最终实现谐振器的高Q值。
图3为传感器的底视图。为了引出谐振器的电信号，在引线孔231对应位置，刻穿SOI的衬底层230和氧化层220至器件层210上的接线端子，使得接线端子与外部相连通。为了压焊引线，在上述引线孔231内制作了金属电极211。此外，第三压力敏感膜232用于感受外界压力。玻璃基座300来提高传感器芯片的耐压强度和隔离后续组装带来的应力。
传感器加工制作分五个步骤完成：
步骤一、SOI敏感单元加工；
步骤二、玻璃盖板加工；
步骤三、阳极键合真空封装；
步骤四、过孔内金属焊盘制作；
步骤五、键合玻璃基座。
所述步骤一、SOI敏感单元的加工步骤主要如下：
A.首先，在SOI衬底层上光刻并刻蚀形成引线孔。具体步骤如下：先在衬底层上甩胶，光刻出引线孔图形，然后用光刻胶作掩膜，利用DRIE刻蚀引线孔至自停止层。之后，去除光刻胶；
B.其次，在SOI器件层上光刻并刻蚀形成谐振器等结构。具体步骤如下：在器件层上甩胶，光刻出谐振器图形，然后利用光刻胶作为掩膜，利用DRIE/ICP刻蚀至自停止层，形成谐振器等结构。之后，去除光刻胶；
C.最后，谐振器释放，具体步骤如下：利用气态HF酸腐蚀引线孔内的暴露出来的氧化硅，再腐蚀器件层暴露出来的氧化硅，直到谐振器可以被拨动，即为谐振器释放完毕。
所述步骤二、玻璃盖板的加工步骤如下：
在玻璃上制作两个谐振腔和四个圆形真空腔，并沉积吸气剂。具体步骤如下：玻璃片上溅射Cr/Au掩膜，并甩上光刻胶，光刻形成图形，并去除暴露的Cr/Au金属层。然后利用HF酸腐蚀暴露的玻璃，形成空腔。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，在空腔内蒸发Ti基吸气剂。
所述步骤三、SOI-玻璃阳极键合真空封装步骤如下：
利用阳极键合将上述玻璃盖板与上述SOI真空键合，完成谐振器的真空封装。
所述步骤四、过孔内金焊盘的制作：采用蒸发的方法沉积在引线孔内。
所述步骤五、SOI-玻璃二次阳极键合：利用阳极键合将上述已键合的SOI-玻璃盖板键合片与玻璃基座进行单芯片二次键合。
根据本发明的实施例，所述第一和第二压力敏感膜的结构包括但不限于方膜、圆膜、多边形膜；
根据本发明的实施例，所述第三压力敏感膜可利用刻蚀\腐蚀方法在SOI基底层制作代替，且通过刻蚀\腐蚀方法制作的压力敏感膜类型包括但不限于方膜、圆膜、多边形膜；
根据本发明的实施例，所述玻璃上的空槽结构包括但不限于方形、圆、多边形，制作方法可采用干法刻蚀、喷砂、激光加工方式等；
根据本发明的实施例，所述SOI和玻璃盖板真空封装的实现也用其他键合方式代替，比如金金键合，金硅、金锡共晶键合等；
根据本发明的实施例，所述过孔内金焊盘、谐振腔和真空腔的吸气剂制作可采用溅射方法代替；
根据本发明的实施例，所述谐振器可用其他原理的检测\驱动方式代替；
根据本发明的实施例，所述引线孔和谐振器等图形制作所使用的光刻胶可用介质层SiO2、Si3N4、ZnO等代替；
根据本发明的实施例，所述玻璃盖板制作中金属掩膜材料可用其他金属代替；
根据本发明的实施例，所述玻璃空腔内的吸气剂可用其他商用吸气剂代替。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (14)

1.一种具有高Q值的硅谐振式高压传感器，其特征在于，包括：
从上到下依次包括玻璃盖板、SOI片和玻璃基座；
所述玻璃盖板包括两个方形谐振腔和四个圆形真空腔；
所述SOI片包括器件层，氧化层和衬底层三层；
SOI片上设置有两个谐振器、两个尺寸相等的方形压力敏感膜、多个电极接线端子和电气隔离槽。
2.根据权利要求1所述的一种具有高Q值的硅谐振式高压传感器，其特征在于，
两个谐振器具有相同的结构与尺寸参数，分别平行悬空放置在两个方形压力敏感膜的不同位置，即分别处于正负应力区，以此感应两个敏感膜上不同的应力最终转换成频率变化。
3.根据权利要求1所述的一种具有高Q值的硅谐振式高压传感器，其特征在于，
玻璃盖板上的两个方形谐振腔长度，宽度和深度大小相等，与两个方形压力敏感膜的位置上下对应，且尺寸相同；同时，两个谐振腔包括第一谐振腔和第二谐振腔，玻璃盖板和SOI片利用阳极键合技术分别将两个谐振器真空封装在平行的第一谐振腔和第二谐振腔中，为谐振器提供振动空间以及为传感器提供恒定的参考压力。
4.根据权利要求1所述的一种具有高Q值的硅谐振式高压传感器，其特征在于，
两个方形谐振腔和四个真空腔内均沉积一层吸气剂。
5.根据权利要求1所述的一种具有高Q值的硅谐振式高压传感器，其特征在于，
在SOI片的衬底层相对应玻璃盖板四个真空腔的位置键合玻璃基座用于提高传感器芯片的耐压强度。
6.根据权利要求1所述的一种具有高Q值的硅谐振式高压传感器，其特征在于，
两个谐振器具有相同的物理结构与尺寸，为了驱动悬空谐振器振动和检测其特征频率输出，在谐振器的两侧设计有梳齿驱动电极，在悬空谐振器末端设计有检测电极和接地电极，分别通过驱动电极接线端子、检测电极接线端子和接地电极接线端子与外界电路相连。
7.根据权利要求1所述的一种具有高Q值的硅谐振式高压传感器，其特征在于，
第一谐振器固定于第一方形压力敏感膜靠近中心的位置，第二谐振器固定于第二方形压力敏感膜靠近边缘的位置，故当外界压力作用在传感器第三压力敏感膜时，第一方形压力敏感膜在中间区域产生张应力，第二方形压力敏感膜在边缘区域产生压应力；第一谐振器受到张应力的作用，谐振频率升高，第二谐振器受到压应力的作用，谐振频率降低，且两个谐振器对于外界压力有相反的频率响应，两个谐振器对温度敏感性一致，用这两个谐振器的频率之差来表征外界压力的大小。
8.根据权利要求1所述的一种具有高Q值的硅谐振式高压传感器，其特征在于，
在引线孔对应位置，刻穿SOI片的衬底层和氧化层至器件层上的接线端子，使得接线端子与外部相连通；在上述引线孔内制作了金属电极用于压焊引线，第三压力敏感膜用于感受外界压力。
9.一种权利要求1-8之一的传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、SOI敏感单元加工；
步骤二、玻璃盖板加工；
步骤三、阳极键合真空封装；
步骤四、过孔内金属焊盘制作；
步骤五、键合玻璃基座。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：所述步骤一，SOI敏感单元的加工步骤主要如下：
A、首先，在SOI衬底层上光刻并刻蚀形成引线孔，具体步骤如下：先在衬底层上甩胶，光刻出引线孔图形，然后用光刻胶作掩膜，利用DRIE刻蚀引线孔至自停止层，之后，去除光刻胶；
B、其次，在SOI器件层上光刻并刻蚀形成谐振器等结构，具体步骤如下：在器件层上甩胶，光刻出谐振器图形，然后利用光刻胶作为掩膜，利用DRIE/ICP刻蚀至自停止层，形成谐振器等结构，之后，去除光刻胶；
C、最后，谐振器释放，具体步骤如下：利用气态HF酸腐蚀引线孔内的暴露出来的氧化硅，再腐蚀器件层暴露出来的氧化硅，直到谐振器可以被拨动，即为谐振器释放完毕。
11.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：所述步骤二，玻璃盖板的加工步骤如下：
在玻璃上制作两个谐振腔和四个圆形真空腔，并沉积吸气剂，具体步骤如下：玻璃片上溅射Cr/Au掩膜，并甩上光刻胶，光刻形成图形，并去除暴露的Cr/Au金属层；然后利用HF酸腐蚀暴露的玻璃，形成空腔；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，在空腔内蒸发Ti基吸气剂。
12.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：所述步骤三、SOI-玻璃阳极键合真空封装步骤如下：
利用阳极键合将上述玻璃盖板与上述SOI真空键合，完成谐振器的真空封装。
13.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：所述步骤四、过孔内金焊盘的制作采用蒸发的方法沉积在引线孔内。
14.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：所述步骤五、SOI-玻璃二次阳极键合具体包括：
利用阳极键合将上述已键合的SOI-玻璃盖板键合片与玻璃基座进行单芯片二次键合。
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