CN1401979A - 新型全SiNx微结构谐振梁压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种新型全SiNx微结构谐振梁压力传感器，包括谐振梁(10)、谐振梁上的金属电极(11)和激振电阻(13)、硅衬底(15)，SiNx压力敏感膜(17)位于硅衬底(15)上部，谐振梁(10)的下部。本发明实现梁膜一体化，简化工艺，实现更高精度和微小物理量的测量。梁的尺寸可以精确控制，而且均匀性好，使得压力传感器的物理参数有可能得到精确控制。易于实现微梁谐振器，从而制作微梁压力传感器，达到进一步降低器件成本的目的。实现微传感器的集成化和阵列化。例如微梁压力传感器与测试系统的集成，压力传感器和其它传感器的混合集成。由于SiNx具有更好的机械加工性能，可以制作更为复杂的谐振粱器件。
Description
技术领域
本发明涉及微型压力传感器，特别涉及微结构谐振梁压力传感器。
背景技术
利用MENS技术制作微结构谐振梁压力传感器到目前为止主要采用单晶硅和多晶硅材料制造。硅谐振梁压力传感器主要用于高精度压力测量，由于其具有频率输出，而易于进行数字化处理；因采用微电子技术制造，易于实现微型化，易于实现集成化，易于实现低成本批量生产。
普通的硅微结构谐振梁压力传感器包括三个部分：谐振梁压力传感器芯片1、管帽3、管座4。硅微结构谐振梁压力传感器芯片通过电极引线2与管座相连，再通过管座上的电极6与外部测试电路相连；传感器通过排气管5将管帽内腔抽成真空后，将排气管封死；传感器通过测量接口7与待测系统相连，用于测量外界压力。
硅谐振梁压力传感器芯片1是由上硅片一谐振子8和下硅片9键合而成的。
以硅为材料制作微结构谐振梁压力传感器具有以下几种缺点：
1)梁的制作工艺复杂，工艺要求十分苛刻，难以控制要求的尺寸精度，因而影响器件的成品率，使器件的成本很高。虽然可以采用自停止腐蚀等办法加以改善，但这些方法不仅降低器件性能，还要增加昂贵的设备，从而增加成本。增加工艺步骤本身也增加了工艺复杂性。
2)硅谐振梁压力传感器的封装要将谐振子、压力敏感膜和管座键合在一起，需要两次键合。每次键合都产生应力，这些应力都对传感器产生影响。键合是一种比较复杂的工艺，减少键合过程也就是简化工艺过程。
3)我们提出的专利“新型SiNx微结构谐振梁压力传感器(待申请)”提出的新型复合梁膜SiNx微结构谐振梁压力传感器，所采用的是以硅材料为压力敏感膜的方法。由于采用硅为压力敏感膜的材料制作过程中采用的是腐蚀的方法，最后硅压力敏感膜的厚度是不能精确控制的。谐振梁压力传感器的量程是由压力敏感膜的厚度决定的，厚度不准会导致制作出的传感器的量程与设计值差别较大。这种结构适合于制作大量程的谐振梁压力传感器，对于微力的测量受到很大的限制。
4)采用硅材料制作压力敏感膜所能够制作的微结构谐振梁压力传感器的尺寸只能在毫米量级，与其它传感器或元件的集成器件尺寸将会很大，不可能用于制作高密度集成化的器件。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种氮硅化合物薄膜材料制作谐振梁和压力敏感膜的全SiNx新型微结构谐振梁压力传感器。
为实现本发明的目的，新型全SiNx微结构谐振梁压力传感器包括谐振梁10、谐振梁上的金属电极11和激振电阻13、硅衬底15，SiNx压力敏感膜17位于硅衬底15上部，谐振梁10的下部。
本发明实现梁膜一体化，简化工艺，实现更高精度和微小物理量的测量。梁的尺寸可以精确控制，而且均匀性好，使得压力传感器的物理参数有可能得到精确控制。易于实现微梁谐振器，从而制作微梁压力传感器，达到进一步降低器件成本的目的。实现微传感器的集成化和阵列化。例如微梁压力传感器与测试系统的集成，压力传感器和其它传感器的混合集成。由于SiNx具有更好的机械加工性能，可以制作更为复杂的谐振粱器件。
附图说明
图1是常规硅微结构谐振梁压力传感器结构图；
图2是常规硅微结构谐振梁压力传感器芯片垂直于谐振梁的横截面图。
图3是常规新型SiNx复合梁膜微结构谐振梁压力传感器横截面图
图4是全SiNx新型微结构谐振梁压力传感器的平面图。
图5是全SiNx新型微结构谐振梁压力传感器B-B’横截面图；
图6是全SiNx新型微结构谐振梁压力传感器A-A’横截面图。
具体实施方式
从图5、图6和图1、图2的谐振梁压力传感器芯片的比较，我们可以清楚地看到全SiNx新型微结构谐振梁压力传感器与硅微结构谐振梁压力传感器的不同。硅微结构谐振梁压力传感器的芯片是由两块都经过三维加工的硅芯片键合在一起构成的，全SiNx新型微结构谐振梁压力传感器芯片只是一块经过三维立体加工的硅芯片。制作工艺得到简化。
从图5和图3比较我们可以看出SiNx新型微结构谐振梁压力传感器芯片与新型复合梁膜SiNx微结构谐振梁压力传感器明显的区别是SiNx新型微结构谐振梁压力传感器芯片的压力敏感膜17是采用超厚低应力SiNx材料制作的。
全SiNx新型微结构谐振梁压力传感器芯片的核心是谐振子，它上面含有使梁产生受迫振动的激振单元和检测谐振信号的拾振单元。激振单元可以采用热激振、电磁激振也可以是静电激振或光激振等几种激励方式。拾振单元可以采用压阻拾振，电容拾振、光拾振等等几种拾振方式。我们以热激振和压阻拾振的全SiNx新型微结构谐振梁压力传感器为例介绍谐振梁压力传感器的工作原理。
热激振和压阻拾振的全SiNx新型微结构谐振梁压力传感器芯片包括谐振子、压力敏感膜17和衬底15。谐振子包括SiNx谐振梁10以及制作在其上的激振电阻13和拾振电阻14以及温度补偿电阻16。
下面以热激振压阻拾振方式工作的谐振梁压力传感器为例说明谐振梁压力传感器的工作原理。
电阻激振即热激振是利用加热电阻13将谐振梁10的局部加热产生膨胀，产生热应力，使梁10发生弯曲；当一个电脉冲到来时，加热电阻13发热使谐振梁发生弯曲，电脉冲过去后，加热电阻的热量迅速通过谐振梁10散掉，谐振梁10恢复到自然伸直状态。加在激振电阻13上所加的交变电信号使谐振梁10产生交变热应力，使梁10的弯曲和伸直周期性变化，产生周期性受迫振动。
所谓拾振就是通过某种敏感元件检测振动状态，将梁10的机械振动动能转化为能够直接测量的电信号，例如，由于振动时梁发生形变，在形变区制作压阻材料，材料的电阻随所受的压力的变化而发生变化，电阻值的变化周期与梁10的振动周期是一致的。给压阻材料接上一个恒流源时，压阻材料两端的电压将随梁的振动发生周期性变化，检测压阻材料两端的电压变化就可以知道振动情况的变化。拾振电阻14的阻值随电阻所受到的压力的周期性变化而发生周期性改变，拾振电阻14所受到的压力与谐振梁10的振幅呈正比。梁10发生谐振时压阻14两端电压发生突变，在谐振梁压力传感器的幅频特性曲线上出现谐振峰，谐振梁10的幅频特性曲线中的谐振峰的变化直接反映了谐振梁的振动状态，这就是压阻拾振方法。
谐振梁压力传感器就是利用压力敏感膜17将作用在压力敏感膜上的外力转化为作用在谐振梁10两端的轴向力，轴向力和谐振梁10的谐振频率在一定范围内具有非常好的线性函数关系，因此，测知谐振梁的谐振频率，就可以测知环境压力。如图1所示，当待测容器的压力发生改变时，比如压力增大，压力敏感膜向上弯曲，给谐振梁10的两端施加轴向的张应力，在轴向张应力的作用下，谐振梁的谐振频率发生改变，通过测试系统检测漂移后的频率，做一条频率对压力的关系曲线，我们就可以根据检测仪器检测到的频率得出待测压力。
Claims (3)
1.一种新型全SiNx微结构谐振梁压力传感器，包括谐振梁(10)、谐振梁上的金属电极(11)和激振电阻(13)、硅衬底(15)，其特征在于SiNx压力敏感膜(17)位于硅衬底(15)上部，谐振梁(10)的下部。
2.按权利要求1所述的压力传感器，其特征在于所述谐振梁(10)是SiNx谐振梁。
3.按权利要求1所述的压力传感器，其特征在于所述的压力敏感膜(17)和谐振梁(10)使用低应力氮硅化合物。
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