CN116067530A - 一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器 - Google Patents

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陈德勇
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Abstract

本发明提出了一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器。相比传统的梁膜一体化结构，本发明利用体积压缩敏感原理，避免应力集中，提升耐压强度；通过对双谐振器的微支撑梁差异化设计实现两谐振器具有不同的压力灵敏度，进行双频解算，构建温度原位补偿的压力测量机制，提高高压测量时的精度。

Description

一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器
技术领域
本发明涉及MEMS微传感器领域，尤其涉及一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器。
背景技术
海洋环境与目标的感知能力是国家经略海洋能力的具体体现，大量程压力传感器是高精准海洋环境信息感知的重要组成部分。谐振式压力传感器具备精度高、长期稳定性好等独特优势，在压力测量领域具有广泛应用。目前，国外的高压传感器性能已经达到较高水平，GE Druck公司的UNIK 5000系列谐振式压力传感器在70MPa量程下实现综合精度0.04％FS。国内各高校、研究所对谐振式压力传感器关键技术进行探究，大量程的谐振式压力传感器并没有成熟产品。
现有的谐振式压力传感器通常采用谐振梁和压力敏感膜复合的梁膜一体化结构，在陈德勇、尉洁等于2021-7-9公开的专利(一种谐振式高压传感器及其制作方法)和申建武、李亨等于2022-8-9公开的专利(一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片与制备方法)中均使用梁膜一体化结构设计谐振高压传感器。然而，材料本征缺陷和工艺加工缺陷导致整体的耐压强度降低，压力敏感膜结构导致固支边应力集中，二者共同导致敏感芯体在远低于材料强度的压力下发生失效，从而限制了传感器的量程上限；同时，现有的压力传感器芯片在较高压力测量范围内的灵敏度和线性度较低。
发明内容
针对现有梁膜一体化谐振压力传感器量程受限、较高压力测量范围内灵敏度、线性度低的问题，本发明提出一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其为具有新型弹性结构的高耐压强度、高灵敏度和线性度的谐振式传感器，利用体积压缩敏感原理，避免应力集中，提升耐压强度；通过对双谐振器的微支撑梁差异化设计实现两谐振器具有不同的压力灵敏度，进行双频解算，构建温度原位补偿的压力测量机制，提高高压测量时的精度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，包括敏感芯体，所述敏感芯体由上到下依次由衬底层、埋氧层、器件层和硅盖板组成；所述衬底层、埋氧层和器件层共同组成SOI硅片；所述器件层上制备有谐振器、电极和接线端子；所述电极包括驱动电极和检测电极，分别放置在谐振器两侧构成静电激励/电容检测方式；所述接线端子分别为直流偏压接线端子、驱动接线端子和检测接线端子，分别通过硅导线与驱动电极、检测电极和谐振器相连，需要绝缘的结构之间通过第一隔离槽分隔；所述接线端子中心位置所对应的衬底层和埋氧层被刻穿，形成引线孔；引线孔内制作有金属电极。
进一步地，所述硅盖板和SOI硅片通过键合技术封装在一起，形成全硅结构，减小热应力；所述硅盖板的厚度和衬底层厚度相同，使谐振器位于中性面附近，保证芯体的翘曲不会对谐振器产生额外应力。
进一步地，所述硅盖板上制作有空腔，分别与两谐振器对应，提供谐振器的振动空间；所述硅盖板上另制作有第二隔离槽，尺寸和位置对应器件层上的第一隔离槽，保证各电极、接线端子间电气绝缘。
进一步地，为了提高空腔内部真空度，在硅盖板上制作吸气剂腔，用于沉积吸气剂。
进一步地，所述谐振器由单谐振梁、微支撑梁和锚点组成，所述锚点分别与衬底层和硅盖板固连，外界压力导致压力传感器的体积压缩，所产生的应力由锚点传递到微支撑梁，再传递到单谐振梁。
进一步地，所述微支撑梁用于调整单谐振梁上应力和外界压力的比例关系，从而调整压力灵敏度；通过分别调整谐振器两端微支撑梁的角度和宽度，分别形成压力敏感谐振器和温度敏感谐振器。
进一步地，外界压力作用下压力敏感谐振器的频率fp减小，温度敏感谐振梁的频率fT基本稳定；在温度变化过程中，两谐振器频率均跟随温度发生变化。压力谐振梁频率fp和外界压力P、温度T具有函数关系F1；温度谐振梁频率fT和温度T具有函数关系F2。如下所示：
Figure BDA0004037647360000021
通过优化几何拓扑关系，保证F1和F2函数矩阵的可逆性，由此推导出压力和温度对频率的关系：
Figure BDA0004037647360000022
其中，G1为F1的逆函数，G2为F2的逆函数。
有益效果：
(1)本发明采用体积压缩原理制备敏感芯体弹性结构，与传统的梁膜一体化结构相比，实现更高的耐压强度，有效提升敏感芯体的工作压力范围；
(2)本发明采用微梁支撑谐振器结构，通过微支撑梁的几何参数设计，差异化两谐振器的压力灵敏度，用于原位温度补偿，提高高压下的线性度，提高传感器在全量程下的综合精度；
(3)本发明采用键合技术实现纯硅敏感芯体，盖板层与衬底层厚度相同，材料机械特性匹配，温度变化时热应力小；谐振器位于中性面上，避免芯片整体翘曲对谐振频率产生影响；上述特点提升传感器压力测量的精度和稳定性。
附图说明
图1为敏感芯体内部结构示意图；其中，100-SOI硅片；110-器件层；120-埋氧层；130-衬底层；131-引线孔；132-金属电极；200-硅盖板；
图2为器件层平面结构示意图；其中，111-第一隔离槽；300-谐振器；310-压力敏感谐振器；320-温度敏感谐振器；400-电极；410-驱动电极；420-检测电极；500-接线端子；510-直流偏置接线端子；520-驱动接线端子；530-检测接线端子；
图3为硅盖板结构示意图；其中，210-空腔；220-吸气剂腔；230-第二隔离槽；
图4为微梁支撑谐振器三维结构示意图；其中，330-单谐振梁；340-微支撑梁；350-锚点；410-驱动电极；420-检测电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器包括敏感芯体。所述敏感芯体如图1所示，由上到下依次由正方形的衬底层130、埋氧层120、器件层110和硅盖板200构成立方体。衬底层130、埋氧层120和器件层110共同组成SOI硅片100。图2为器件层结构图，其中器件层110上制备有谐振器300、电极400和接线端子500。所述电极400包括驱动电极410和检测电极420，分别放置在谐振器300两侧，谐振器300与电极400之间有一定间隙，构成静电激励/电容检测方式。所述接线端子500分别为直流偏压接线端子510、驱动接线端子520和检测接线端子530，分别通过硅导线与驱动电极410、检测电极420和谐振器300相连，谐振器300、电极400和接线端子500两两之间通过第一隔离槽111分隔。接线端子500中心位置所对应的衬底层和埋氧层被刻穿，形成引线孔131；引线孔内制作有金属电极132。
如图3所示，所述硅盖板200和SO1硅片100通过键合技术(包括但不限于硅硅键合、金硅共晶键合)封装在一起，形成全硅结构，减小热应力；同时硅盖板200厚度和衬底层130厚度相同，使谐振器300位于中性面附近，保证芯体的翘曲不会对谐振器300产生额外应力；硅盖板200上制作有空腔210，分别与两谐振器300对应，提供谐振器300的振动空间。硅盖板200上另制作有第二隔离槽230，尺寸和位置对应器件层110上的第一隔离槽111，保证各电极400、接线端子500间电气绝缘。为了提高空腔210内部真空度，在硅盖板200上制作吸气剂腔220，用于沉积吸气剂。
如图4所示，所述谐振器300由单谐振梁330、微支撑梁340和锚点350组成，所述锚点350分别与衬底层130和硅盖板200固连，敏感芯体作为体积压缩弹性结构，外界压力导致其体积压缩，所产生的应力由锚点350传递到微支撑梁340，再传递到单谐振梁330。所述微支撑梁340用于调整单谐振梁330上应力和外界压力的比例关系，从而调整压力灵敏度。通过分别调整谐振器两端微支撑梁340的角度和宽度，分别形成压力敏感谐振器310和温度敏感谐振器320。外界压力作用下压力敏感谐振器310的频率fp减小，温度敏感谐振器320的频率fT基本稳定；在温度变化过程中，两谐振器频率均跟随温度发生变化。频率fp和外界压力P、温度T具有函数关系F1；频率fT和温度T具有函数关系F2，如下所示：
Figure BDA0004037647360000041
通过优化几何拓扑关系，可以保证F1和F2函数矩阵的可逆性，由此可以推导出压力和温度对频率的关系：
Figure BDA0004037647360000042
其中G1为F1的逆函数，G2为F2的逆函数。
综上，采用不同微支撑梁结构的两谐振器，可以通过温度敏感谐振器获得的温度信息进行传感器温度原位补偿，提高传感器的测量精度。
优选的，敏感芯体的总体形状包括但不限于方形、矩形、圆形和多边形；
优选的，压力谐振梁和温度谐振梁两端的固定方式包括但不限于微支撑梁、直接固支等；
优选的，微支撑梁340的长度80μm、宽度7μm、角度10°为优选方案，可在合理范围内进行调整；
优选的，温度谐振梁和压力谐振梁可采用相同结构尺寸设计；
优选的，硅盖板200与SOI硅片100的键合方式包括但不限于硅硅键合、共晶键合、阳极键合等；
优选的，SOI硅片100的结构可以通过多层硅硅键合或硅玻璃键合方式形成多层复合敏感结构实现；
优选的，吸气剂腔220的数量4个、尺寸0.32×0.57mm、形状圆角矩形为优选方案，可在合理范围内进行调整。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其特征在于：包括敏感芯体，所述敏感芯体由上到下依次由衬底层、埋氧层、器件层和硅盖板组成；所述衬底层、埋氧层和器件层共同组成SOI硅片；所述器件层上制备有谐振器、电极和接线端子；所述电极包括驱动电极和检测电极，分别放置在谐振器两侧，构成静电激励/电容检测方式；所述接线端子分别为驱动接线端子、检测接线端子和直流偏压接线端子，分别通过硅导线与驱动电极、检测电极和谐振器相连，需要绝缘的结构之间通过第一隔离槽分隔；所述接线端子中心位置所对应的衬底层和埋氧层被刻穿，形成引线孔；引线孔内制作有金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其特征在于：所述硅盖板和SOI硅片通过键合技术封装在一起，形成全硅结构，减小热应力；所述硅盖板的厚度和衬底层厚度相同，使谐振器位于中性面附近，保证敏感芯体的翘曲不会对谐振器产生额外应力。
3.根据权利要求1所述的一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其特征在于：所述硅盖板上制作有空腔，分别与两谐振器对应，提供谐振器的振动空间；所述硅盖板上另制作有第二隔离槽，尺寸和位置对应器件层上的第一隔离槽，保证各电极、接线端子间电气绝缘。
4.根据权利要求3所述的一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其特征在于：为了提高空腔内部真空度，在硅盖板上制作吸气剂腔，用于沉积吸气剂。
5.根据权利要求1所述的一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其特征在于：所述谐振器由单谐振梁、微支撑梁和锚点组成，所述锚点分别与衬底层和硅盖板固连，外界压力导致压力传感器的体积压缩，所产生的应力由锚点传递到微支撑梁，再传递到单谐振梁。
6.根据权利要求1所述的一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其特征在于：所述微支撑梁用于调整单谐振梁上应力和外界压力的比例关系，从而调整压力灵敏度；通过分别调整谐振器两端微支撑梁的角度和宽度，分别形成压力敏感谐振器和温度敏感谐振器。
7.根据权利要求6所述的一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其特征在于：外界压力作用下压力敏感谐振器的频率fp减小，温度敏感谐振器的频率fT基本稳定；在温度变化过程中，两谐振器频率均跟随温度发生变化；频率fp和外界压力P、温度T具有函数关系F1；频率fT和温度T具有函数关系F2，如下所示：
Figure FDA0004037647350000021
通过优化几何拓扑关系，保证F1和F2函数矩阵的可逆性，由此推导出压力和温度对频率的关系：
Figure FDA0004037647350000022
其中，G1为F1的逆函数，G2为F2的逆函数。
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