CN115752818A - 一种谐振式压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种谐振式压力传感器及其制造方法，至少包括单晶硅片、腔体及通气孔、多晶硅敏感薄膜和扭转梁、摆动板、硅岛及H型谐振梁。采用多晶硅薄膜作为感压薄膜，厚度均匀可控至3μm以下，能够提高传感器的敏感度和性能的一致性；硅岛集中薄膜应力，扭转梁及摆动板放大应力后传递给H型谐振梁，增强H型谐振梁对外部应力的感知度，提升器件的灵敏度；硅岛对应于通气孔设置且尺寸大于通气孔尺寸，避免形成通气孔过程中对多晶硅敏感薄膜造成损伤，保证器件性能稳定性，提高产品良率。本发明的敏感结构采用单片单面体硅一体加工形成，无需键合，保证器件在宽温环境中性能稳定，具有尺寸小、低成本、工艺简单和可与集成电路工艺混线生产的优势。

Description

一种谐振式压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及硅微机械传感技术领域，特别是涉及一种谐振式压力传感器及其制造方法。

背景技术

MEMS硅基压力传感器芯片广泛应用于工业过程控制、航空航天、汽车电子、石油勘探、深海探测等领用。近几年来，随着MEMS微机械加工技术的不断进步，硅基MEMS压力传感器芯片的小型化、低成本和高性能已成为未来传感器的发展趋势。相对于压阻式压力传感器芯片，谐振式压力传感器芯片以其对温度敏感性差、高精度、高分辨率、准数字输出和长期稳定性好等优势越来越受人青睐。

当前，MEMS硅基谐振式压力传感器芯片主要利用SOI硅片结合多层键合结构加工而成[Yu Zheng,Sen Zhang,Deyong Chen,et al.A Micromachined Resonant Low-Pressure Sensor With High Quality Factor,IEEE Sensors Journal,Vol.21,No.18,pp:19840-19846]。首先，利用SOI硅片中的顶层硅来制作谐振梁结构，通过埋氧层的腐蚀来释放可动谐振梁；其次，利用硅深度反应离子刻蚀(DRIE)技术从硅片背面大深度刻蚀Handle层的单晶硅来减薄Handle层以形成压力膜片结构；最后，利用硅-玻璃或其他真空键合工艺对谐振梁所在位置进行真空键合封装。这种工艺加工的谐振式压力传感器芯片存在以下几点不足：(1)芯片尺寸大、工艺复杂且制造成本高；(2)受单晶硅片自身厚度均匀性限制(单晶硅片厚度的均匀性≥3μm)，导致所加工的压力膜片厚度必然要大于6μm，因此若要进一步提升传感器芯片的灵敏度，只能以牺牲芯片尺寸通过增大膜片面积的方法实现；此外，受膜片厚度均匀性限制，也会影响传感器芯片的性能特性；(3)由于芯片采用多次键合工艺制备，受不同键合材料间的热膨胀系数影响，必然会引入键合界面残余应力，影响芯片在宽温区环境下的性能稳定性。为了降低成本，厦门大学采用硅-硅熔融键合工艺取代昂贵的SOI硅片加工压力敏感结构层和单晶硅谐振层，虽然一定程度上降低了芯片成本，但是却增大的工艺复杂度，且仍然无法避免多次键合的传感器芯片结构[Xiaohui Du,LiyingWang,Anlin Li,et al.,High Accuracy Resonant Pressure Sensor With Balanced-Mass DETF Resonator and Twinborn Diaphragms,Journal of MicroelectromechanicalSystems,Vol.26,No.1,pp:235-245]。

于此，有必要设计一种新的MEMS硅基谐振式压力传感器芯片以解决传统硅基谐振式压力传感器芯片存在的上述之不足，实现MEMS硅基谐振式压力传感器芯片的小尺寸、高性能和低成本。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种谐振式压力传感器及其制造方法，用于解决现有技术中芯片尺寸大、制造工艺复杂、单晶硅薄膜厚度及均匀性限制和多次键合后残余应力引起的性能稳定的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种谐振式压力传感器，所述谐振式压力传感器至少包括:

单晶硅片，所述单晶硅片为(111)单晶硅片，包括相对设置的第一表面、第二表面；

腔体，所述腔体嵌入所述单晶硅片的内部，所述腔体开设有相连通且穿过所述第二表面的通气孔；

感压模块，所述感压模块包括位于所述腔体上方的多晶硅敏感薄膜，及位于所述多晶硅敏感薄膜上方的应力传导机构与H型谐振梁，所述应力传导机构对称位于所述H型谐振梁的两端，包括对应于所述通气孔设置的硅岛、与所述硅岛平行间隔分布的扭转梁及摆动板，其中，所述H型谐振梁两端分别固支在所述扭转梁的中心位置且悬浮于所述多晶硅敏感薄膜上方，所述摆动板位于所述H型谐振梁两侧且与所述扭转梁连接；

焊盘，所述焊盘位于所述单晶硅片上，与所述H型谐振梁通过金属引线互连，以完成所述H型谐振梁的激振及拾振信号检测。

优选地，所述H型谐振梁、所述扭转梁、所述摆动板及所述硅岛由所述单晶硅片一体化形成，所述H型谐振梁为单晶硅，所述扭转梁、所述摆动板及所述硅岛包括单晶硅及位于所述单晶硅上、下表面的氧化硅层。

优选地，所述通气孔的数量为2，所述通气孔的尺寸小于所述硅岛的尺寸。

优选地，所述焊盘为4个，所述焊盘位于所述扭转梁的两端，通过金属引线沿所述扭转梁与所述H型谐振梁连接。

优选地，所述多晶硅敏感薄膜为六边形薄膜，所述腔体为对应于所述多晶硅敏感薄膜形状的六边形腔体，且所述多晶硅敏感薄膜直接构成所述腔体的上表面。

优选地，所述多晶硅敏感薄膜的六个边沿<110>晶向排布，所述H型谐振梁沿<211>晶向排布。

优选地，沿所述多晶硅敏感薄膜

及

晶向边沿的所述单晶硅片上间隔排布着多个腐蚀通孔，通过所述腐蚀通孔形成所述腔体、所述氧化硅层及所述多晶硅敏感薄膜后由多晶硅填充，所述腐蚀通孔的孔径调节能够控制所述多晶硅敏感薄膜的厚度，所述腐蚀通孔的深度决定所述应力传导机构及所述H谐振梁的厚度。

本发明还提供一种谐振式压力传感器的制造方法，所述制造方法至少包括以下步骤：

S1：提供一单晶硅片，所述单晶硅片包括相对设置的第一表面、第二表面，于所述单晶硅片的所述第一表面及所述第二表面上形成第一氧化物层；

S2：于所述单晶硅片的所述第一表面、所述第一氧化物层上形成多个间隔排布的腐蚀通孔，于所述第一表面的第一氧化物层上沉积一层氮化硅层，同时所述氮化硅层也覆盖所述腐蚀通孔的侧壁及底部；

S3：刻蚀去除所述第一氧化物层上及所述腐蚀通孔底部的所述氮化硅层，沿所述腐蚀通孔继续向下刻蚀设定深度，确定出腔体的深度；

S4：通过所述腐蚀通孔在所述单晶硅片内部进行各向异性湿法腐蚀形成腔体结构，于所述腔体内表面上形成第二氧化物层；

S5：于所述第一表面的所述第一氧化物层上沉积多晶硅层填充所述腐蚀通孔，填充的同时会在所述腔体内表面上沉积一层多晶硅敏感薄膜，刻蚀去除所述第一表面上的所述多晶硅层；

S6：于所述第二表面上刻蚀出通气孔，所述通气孔与所述腔体相连通；

S7：刻蚀去除所述第一表面上H型谐振梁区域所覆盖的所述第一氧化物层，溅射金属薄膜并图形化形成金属引线和焊盘；

S8：图形化H型谐振梁及硅岛、扭转梁和摆动板组成的应力传导机构，刻蚀除所述H型谐振梁与所述应力传导机构外部分所述第一氧化物层、单晶硅、所述第二氧化物层以显露所述多晶硅敏感薄膜；

S9：刻蚀去除所述H型谐振梁下方的所述第二氧化物层，以使所述H型谐振梁悬浮于所述多晶硅敏感薄膜的上方。

优选地，所述通气孔的数量为2，所述通气孔位于所述硅岛的下方且尺寸小于所述硅岛的尺寸。

优选地，所述焊盘为4个，所述焊盘位于所述扭转梁的两端，通过金属引线沿所述扭转梁与所述H型谐振梁连接。

优选地，所述腐蚀通孔沿所述单晶硅片的

及

晶向间隔排布。

优选地，所述腔体为六边形腔体，所述多晶硅敏感薄膜为六边形薄膜，六个边均沿<110>晶向排布，所述H型谐振梁沿<211>晶向排布。

如上所述，本发明的一种谐振式压力传感器及其制造方法，具有以下有益效果：所述谐振式压力传感器至少包括单晶硅片、嵌入所述单晶硅片内部的腔体及与所述腔体连通且穿透所述单晶硅片的通气孔、位于所述腔体上方的多晶硅敏感薄膜和位于所述多晶硅敏感薄膜上方的包含扭转梁、摆动板、硅岛的应力传导机构及H型谐振梁，其中，所述应力传导机构对称位于所述H型谐振梁的两端。本发明采用多晶硅薄膜作为感压薄膜，薄膜厚度均匀可控，能够控制在3μm以下，从而提高所述谐振式压力传感器的敏感度和性能的一致性；在待测压力作用下，所述多晶硅敏感薄膜上下表面因压力差产生形变，所述硅岛集中薄膜应力并通过所述扭转梁及所述摆动板放大薄膜应力后传递给所述H型谐振梁，增强了所述H型谐振梁对外部应力的感知度，进一步提升所述谐振式压力传感器的灵敏度；所述硅岛对应位于所述通气孔上方且尺寸大于所述通气孔的尺寸，如此避免形成所述通气孔的过程中对所述多晶硅敏感薄膜造成损伤，保证所述谐振式压力传感器的性能稳定性，提高产品良率。

在制造方面，所述谐振式压力传感器采用单片单面体硅一体加工形成，无需键合工艺，不存在键合界面残余应力，保证传感器在宽温环境中性能稳定；所述多晶硅敏感薄膜厚度可控，配合所述扭转梁及所述摆动板的放大，无需牺牲尺寸便能够具有高的敏感度，具有尺寸小、低成本、工艺简单和可与集成电路工艺混线生产的优势。

附图说明

图1显示为本发明实施例中的一种谐振式压力传感器的结构示意图。

图2显示为本发明实施例中的一种谐振式压力传感器的局部剖面结构示意图。

图3a-图3i显示为本发明的一种谐振式压力传感器制造流程对应的结构示意图。

元件标号说明

100 单晶硅片

110 第一表面

120 第二表面

200 多晶硅敏感薄膜

310 H型谐振梁

320 硅岛

330 扭转梁

340 摆动板

410 焊盘

420 金属引线

500 腐蚀通孔

600 腔体

610 通气孔

700 第一氧化物层

800 第二氧化物层

900 氮化硅层

S1～S9 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

关于文中“上”“下”的概念，为使表达更加清晰，规定垂直朝向单晶硅片第一表面的方向为“上”，垂直朝向单晶硅片第二表面的方向为“下”。

如图1-图2所示，本发明提供一种谐振式压力传感器，所述谐振式压力传感器至少包括单晶硅片100、腔体600及通气孔610、包括多晶硅敏感薄膜200、应力传导机构及H型谐振梁310的感压模块与焊盘410。

具体的，所述单晶硅片100为一块普通的N型或P型(111)单面或双面抛光单晶硅片，包括相对设置的第一表面110与第二表面120，成本低廉。所述腔体600形成于所述单晶硅片100内部，为顺应所述多晶硅敏感薄膜200形状的腔体结构，位于所述多晶硅敏感薄膜200的下方，用于使所述多晶硅敏感薄膜200悬空，以感知所述腔体600内待测压力；所述腔体600各面均覆盖着一层厚度均匀的多晶硅薄膜，其中上层多晶硅薄膜即为所述多晶硅敏感薄膜200；所述腔体600的深度可控，当所述多晶硅敏感薄膜200的正面和背面间的压力差超过满量程时，合理的腔体深度设计能为所述多晶硅敏感薄膜200提供可靠的过载保护，具体深度可根据实际应用环境设置，在此不做过度限制。

所述通气孔610穿透所述单晶硅片100的所述第二表面120与所述腔体600相通，通过所述通气孔610可实现所述腔体600与不同待测外部压强连接。在本实施例中，所述通气孔610为方形结构，数量为一个，但是根据实际需求，所述通气孔610可为2个，其形状也可为圆形等其他形状，这里不做严格限制。

所述应力传导机构与所述H型谐振梁310位于所述多晶硅敏感薄膜200的上方，所述应力传导机构位于所述H型谐振梁310的两端。所述应力传导机构包括硅岛320、扭转梁330与摆动板340，所述硅岛320对应位于所述通气孔610的上方，所述扭转梁330及所述摆动板340与所述硅岛320平行间隔分布，其中，所述H型谐振梁310两端分别固支在所述扭转梁330的中心位置且悬浮于所述多晶硅敏感薄膜200上方，所述摆动板340位于所述H型谐振梁310两侧且与所述扭转梁330连接。在待测压力作用下，所述多晶硅敏感薄膜200上下表面因压力差产生形变，所述硅岛320集中所述多晶硅敏感薄膜200所感知外部压力，经所述扭转梁330与所述摆动板340放大后传递至所述H型谐振梁310，改变所述H型谐振梁310的谐振频率，增强了所述H型谐振梁310对外部应力的感知度，提高所述谐振式压力传感器的灵敏度。

所述硅岛320的尺寸大于所述通气孔610的尺寸，如此确保所述通气孔610始终对应在所述硅岛320的范围内，在刻蚀形成所述通气孔610的过程中即使出现过刻蚀，由于所述硅岛320位置厚度厚，并非敏感薄膜，不会影响器件性能，提高所述谐振式压力传感器的成品率。

所述焊盘410位于所述单晶硅片100上，与所述H型谐振梁310通过金属引线420互连，从而完成所述H型谐振梁310的激振及拾振信号检测。如图1所示，所述焊盘410为4个，所述焊盘410位于所述扭转梁330的两端，通过金属引线420沿所述扭转梁330与所述H型谐振梁310连接，但位于同一所述扭转梁330两端的金属引线并不直接相连接，于所述扭转梁330中心位置处沿所述H型谐振梁310分布以实现连接。因此位于所述H型谐振梁310同一侧的所述焊盘410为一对，为激振电极或拾振电极，与激振电极同侧梁为激振梁，与拾振电极同侧梁为拾振梁。如于所述H型谐振梁310的上表面添加垂直电场，并于焊盘A、B上施加周期交变电压，则与A、B同侧的梁为激振梁，所述激振梁受洛伦兹力产生振动，同时带动C、D侧的拾振梁也产生振动；由于拾振梁振动切割磁感线，从而焊盘C、D之间产生感应电动势变化，根据感应电动势大小测取所述H型谐振梁310得固有频率、检测外部压力值。本实施例为非限制性示例，根据实际需求也可以采用其他连接方式。

更具体地，本实施例中，沿所述单晶硅片100的

及

晶向间隔排布多个腐蚀通孔500，通过所述腐蚀通孔500形成所述腔体600及所述腔体600内氧化硅层及所述多晶硅敏感薄膜200后由多晶硅填充。形成的所述腔体600为六边形腔体，所述多晶硅敏感薄膜200为六边形多晶硅薄膜，其六个边均沿<110>晶向排布。图形化所述多晶硅敏感薄膜200上方的单晶硅及其上下表面的氧化硅层，刻蚀形成所述H型谐振梁310、所述扭转梁330、所述摆动板340及所述硅岛320，所述H型谐振梁310沿<211>晶向排布，所述扭转梁330、所述摆动板340及所述硅岛320对称位于所述H型谐振梁310的两端。其中，所述H型谐振梁310为单晶硅，不存在残余应力影响其外力感知度，所述扭转梁330、所述摆动板340及所述硅岛320包括单晶硅及位于所述单晶硅上、下表面的氧化硅层，上、下表面的氧化硅层的残余应力进行抵消，从而不对感压模块产生不利影响，提高所述谐振式压力传感器的检测性能。

如图3a-图3i所述，本发明还提供一种谐振式压力传感器的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：

步骤S1：提供一单晶硅片100，所述单晶硅片100包括相对设置的第一表面110、第二表面120，于所述单晶硅片100的所述第一表面110及所述第二表面120上形成第一氧化物层700。

具体的，如图3a所示，所述单晶硅片100为一块普通的N型或P型(111)单面或双面抛光单晶硅片，包括相对设置的第一表面110与第二表面120。通过热氧化法在所述单晶硅片的所述第一表面110及所述第二表面120上形成第一氧化物层700，本实施例中，所述第一氧化物层为1μm的氧化硅层。

步骤S2：于所述单晶硅片100的所述第一表面110、所述第一氧化物层700上形成多个间隔排布的腐蚀通孔500，于所述第一表面110的所述第一氧化物层700上沉积一层氮化硅层900，同时所述氮化硅层900也覆盖所述腐蚀通孔500的侧壁及底部。

具体的，如图3b所示，利用反应离子刻蚀(RIE)技术于所述第一表面的所述第一氧化物层700上形成多个间隔排布的腐蚀通孔500。所述腐蚀通孔500沿所述单晶硅片100的

及

晶向间隔排布，所述腐蚀通孔500的孔径尺寸确定了后续多晶硅敏感薄膜200的沉积时间，能够控制所述多晶硅敏感薄膜200的厚度。利用硅深度反应离子刻蚀(Deep-RIE)技术在所述腐蚀通孔500中继续刻蚀所述单晶硅片100加深所述腐蚀通孔500的深度，所述腐蚀通孔500的深度为后续H型谐振梁310的厚度，也确定出后续扭转梁330、摆动板340及硅岛320的厚度。然后，利用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺于所述第一表面110的所述第一氧化物层700上沉积一层氮化硅层900，同时所述氮化硅层900也覆盖所述腐蚀通孔500的侧壁及底部，本实施例中，所述腐蚀通孔500深度为7μm，所述氮化硅层900为0.2μm的低应力氮化硅层。

步骤S3：刻蚀去除所述第一氧化物层700上及所述腐蚀通孔500底部的所述氮化硅层，沿所述腐蚀通孔500继续向下刻蚀设定深度，确定出腔体600的深度。

具体的，如图3c所示，反应离子刻蚀(RIE)技术刻蚀去除所述第一氧化物层上及所述腐蚀通孔底部的所述氮化硅层，再利用硅深度反应离子刻蚀(Deep-RIE)技术沿所述腐蚀通孔500底部继续向下刻蚀所述单晶硅片100，以确定后续腔体600的深度，本实施例中，所述腔体600的深度为20μm。

步骤S4：通过所述腐蚀通孔500在所述单晶硅片100内部进行各向异性湿法腐蚀形成腔体结构，于所述腔体600内表面上形成第二氧化物层800。

具体的，如图3d所示，利用KOH或TMAH腐蚀溶液通过所述腐蚀通孔500在所述单晶硅片100内部进行各向异性湿法腐蚀，直至形成八个面都是(111)晶面的腔体结构。通过热氧化工艺在所述腔体600内部表面形成一定厚度的氧化物层，此氧化物层为第二氧化物层800。由于所述腐蚀通孔500侧壁覆盖有氮化硅层不会被氧化，因此后续利用低应力多晶硅填充后，使整体所述腐蚀通孔500残余应力很小不会对所述谐振式压力传感器性能造成不利影响。本实施例中，所述第二氧化物层800为氧化硅层，厚度为2μm。

步骤S5：于所述第一表面110的所述第一氧化物层700上沉积多晶硅层填充所述腐蚀通孔500，填充的同时会在所述腔体600内表面上沉积一层多晶硅敏感薄膜，刻蚀去除所述第一表面110上的所述多晶硅层。

具体的，如图3e所示，利用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积多晶硅填充所述腐蚀通孔500，填充同时会在所述腔体600内部各表面也沉积上一定厚度的多晶硅层，然后刻蚀去掉所述第一表面上多余的多晶硅。理论上所述腐蚀通孔500的孔径为所述多晶硅敏感薄膜厚度200与所述第二氧化物层800厚度之和，调节所述腐蚀通孔500的孔径尺寸能够控制所述多晶硅敏感薄膜200的厚度。本实施例中，于所述第一表面110上方沉积4μm多晶硅层，所述腔体600内能够形成约2μm的多晶硅层。

步骤S6：于所述第二表面120上刻蚀出通气孔610，所述通气孔610与所述腔体600相连通。

具体的，如图3f所示，利用硅深度反应离子刻蚀(Deep-RIE)刻蚀去除单晶硅层与多晶硅薄膜层，利用反应离子刻蚀(RIE)技术刻蚀去除所述第一氧化物层700及所述第二氧化物层800，从而于所述第二表面120刻蚀出通气孔610，使之与所述腔体600相连通，用于连接待测外部压强。为避免出现过刻蚀对所述谐振式压力传感器性能造成影响，所述通气孔610对应位于所述硅岛320的下方，且尺寸小于所述硅岛320的尺寸。

步骤S7：刻蚀去除所述第一表面110上H型谐振梁310区域覆盖的所述第一氧化物层700，溅射金属薄膜并图形化形成金属引线420和焊盘410，如图3g所示。

步骤S8：图形化H型谐振梁310及硅岛320、扭转梁330和摆动板340组成的应力传导机构，刻蚀除所述H型谐振梁310与所述应力传导机构外部分所述第一氧化物层700、单晶硅、所述第二氧化物层800以显露所述多晶硅敏感薄膜200。

具体的，如图3h所示，采用硅深反应离子刻蚀掉所述多晶硅敏感薄膜200上方除H型谐振梁及硅岛、扭转梁和摆动板以外其余部分的单晶硅，利用反应离子刻蚀技术去除部分所述第一氧化物层700、所述第二氧化物层800，暴露出下方所述多晶硅敏感薄膜200。本实施例中，所述多晶硅力敏感薄膜200为六边形结构。

步骤S9：刻蚀去除所述H型谐振梁310下方的所述第二氧化物层800，以使所述H型谐振梁310悬浮于所述多晶硅敏感薄膜200的上方。如图3i所示，本实施例中，利用气相HF刻蚀去除所述H型谐振梁310下方的所述第二氧化物层800，释放所述H型谐振梁310。

综上所述，本发明的一种谐振式压力传感器及其制造方法，具有以下有益效果：所述谐振式压力传感器至少包括单晶硅片、嵌入所述单晶硅片内部的腔体及与所述腔体连通且穿透所述单晶硅片的通气孔、位于所述腔体上方的多晶硅敏感薄膜和位于所述多晶硅敏感薄膜上方的包含扭转梁、摆动板、硅岛的应力传导机构及H型谐振梁，其中，所述应力传导机构对称位于所述H型谐振梁的两端。本发明采用多晶硅薄膜作为感压薄膜，薄膜厚度均匀可控，能够控制在3μm以下，从而提高所述谐振式压力传感器的敏感度和性能的一致性；在待测压力作用下，所述多晶硅敏感薄膜上下表面因压力差产生形变，所述硅岛集中薄膜应力并通过所述扭转梁及所述摆动板放大薄膜应力后传递给所述H型谐振梁，增强了所述H型谐振梁对外部应力的感知度，进一步提升所述谐振式压力传感器的灵敏度；所述硅岛对应位于所述通气孔上方且尺寸大于所述通气孔的尺寸，如此避免形成所述通气孔的过程中对所述多晶硅敏感薄膜造成损伤，保证所述谐振式压力传感器的性能稳定性，提高产品良率。

在制造方面，所述谐振式压力传感器采用单片单面体硅一体加工形成，无需键合工艺，不存在键合界面残余应力，保证传感器在宽温环境中性能稳定；所述多晶硅敏感薄膜厚度可控，配合所述扭转梁及所述摆动板的放大，无需牺牲尺寸便能够具有高的敏感度，具有尺寸小、低成本、工艺简单和可与集成电路工艺混线生产的优势。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种谐振式压力传感器，其特征在于，所述谐振式压力传感器至少包括：

单晶硅片，所述单晶硅片为(111)单晶硅片，包括相对设置的第一表面、第二表面；

腔体，所述腔体嵌入所述单晶硅片的内部，所述腔体开设有相连通且穿过所述第二表面的通气孔；

感压模块，所述感压模块包括位于所述腔体上方的多晶硅敏感薄膜，及位于所述多晶硅敏感薄膜上方的应力传导机构与H型谐振梁，所述应力传导机构对称位于所述H型谐振梁的两端，包括对应于所述通气孔设置的硅岛、与所述硅岛平行间隔分布的扭转梁及摆动板，其中，所述H型谐振梁两端分别固支在所述扭转梁的中心位置且悬浮于所述多晶硅敏感薄膜上方，所述摆动板位于所述H型谐振梁两侧且与所述扭转梁连接；

焊盘，所述焊盘位于所述单晶硅片上，与所述H型谐振梁通过金属引线互连，以完成所述H型谐振梁的激振及拾振信号检测。

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H型谐振梁、所述扭转梁、所述摆动板及所述硅岛由所述单晶硅片一体化形成，所述H型谐振梁为单晶硅，所述扭转梁、所述摆动板及所述硅岛包括单晶硅及位于所述单晶硅上、下表面的氧化硅层。

3.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于：所述通气孔的数量为2，所述通气孔的尺寸小于所述硅岛的尺寸。

4.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于：所述焊盘为4个，所述焊盘位于所述扭转梁的两端，通过金属引线沿所述扭转梁与所述H型谐振梁连接。

5.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于：所述多晶硅敏感薄膜为六边形薄膜，所述腔体为对应于所述多晶硅敏感薄膜形状的六边形腔体，且所述多晶硅敏感薄膜直接构成所述腔体的上表面。

6.根据权利要求5所述的谐振式压力传感器，其特征在于：所述多晶硅敏感薄膜的六个边沿<110>晶向排布，所述H型谐振梁沿<211>晶向排布。

7.根据权利要求6所述的谐振式压力传感器，其特征在于：沿所述多晶硅敏感薄膜

及

晶向边沿的所述单晶硅片上间隔排布着多个腐蚀通孔，通过所述腐蚀通孔形成所述腔体、所述氧化硅层及所述多晶硅敏感薄膜后由多晶硅填充，所述腐蚀通孔的孔径调节能够控制所述多晶硅敏感薄膜的厚度，所述腐蚀通孔的深度决定所述应力传导机构及所述H谐振梁的厚度。

8.一种谐振式压力传感器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括如下步骤：

S1：提供一单晶硅片，所述单晶硅片包括相对设置的第一表面、第二表面，于所述单晶硅片的所述第一表面及所述第二表面上形成第一氧化物层；

S2：于所述单晶硅片的所述第一表面、所述第一氧化物层上形成多个间隔排布的腐蚀通孔，于所述第一表面的第一氧化物层上沉积一层氮化硅层，同时所述氮化硅层也覆盖所述腐蚀通孔的侧壁及底部；

S3：刻蚀去除所述第一氧化物层上及所述腐蚀通孔底部的所述氮化硅层，沿所述腐蚀通孔继续向下刻蚀设定深度，确定出腔体的深度；

S4：通过所述腐蚀通孔在所述单晶硅片内部进行各向异性湿法腐蚀形成腔体结构，于所述腔体内表面上形成第二氧化物层；

S5：于所述第一表面的所述第一氧化物层上沉积多晶硅层填充所述腐蚀通孔，填充的同时会在所述腔体内表面上沉积一层多晶硅敏感薄膜，刻蚀去除所述第一表面上的所述多晶硅层；

S6：于所述第二表面上刻蚀出通气孔，所述通气孔与所述腔体相连通；

S7：刻蚀去除所述第一表面上H型谐振梁区域所覆盖的所述第一氧化物层，溅射金属薄膜并图形化形成金属引线和焊盘；

S8：图形化H型谐振梁及硅岛、扭转梁和摆动板组成的应力传导机构，刻蚀除所述H型谐振梁与所述应力传导机构外部分所述第一氧化物层、单晶硅、所述第二氧化物层以显露所述多晶硅敏感薄膜；

S9：刻蚀去除所述H型谐振梁下方的所述第二氧化物层，以使所述H型谐振梁悬浮于所述多晶硅敏感薄膜的上方。

9.根据权利要求8所述的谐振式压力传感器的制造方法，其特征在于：所述通气孔的数量为2，所述通气孔位于所述硅岛的下方且尺寸小于所述硅岛的尺寸。

10.根据权利要求8所述的谐振式压力传感器的制造方法，其特征在于：所述焊盘为4个，所述焊盘位于所述扭转梁的两端，通过金属引线沿所述扭转梁与所述H型谐振梁连接。

11.根据权利要求8所述的谐振式压力传感器的制造方法，其特征在于：所述腐蚀通孔沿所述单晶硅片的

及

晶向间隔排布。

12.根据权利要求11所述的谐振式压力传感器的制造方法，其特征在于：所述腔体为六边形腔体，所述多晶硅敏感薄膜为六边形薄膜，六个边均沿<110>晶向排布，所述H型谐振梁沿<211>晶向排布。

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