[發(fā)明專利]硅微機(jī)械諧振式微壓傳感器芯片的結(jié)構(gòu)及制造方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200610053558.1
• 申請(qǐng)日: 2006-09-25
• 公開（公告）號(hào): CN101153825A
• 公開（公告）日: 2008-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓建強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國計(jì)量學(xué)院
• 主分類號(hào): G01L7/08
• 分類號(hào): G01L7/08;G01L11/04;G01L1/10
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及諧振式微壓傳感器芯片的結(jié)構(gòu)及制造方法，特別是由帶有剛性硬芯的感壓膜片和橋諧振器組成的硅微機(jī)械諧振式微壓傳感器芯片，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微量程壓力傳感器用于測(cè)量氣體或液體的微小壓力，測(cè)量范圍一般為0～10KPa，甚至更低。其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下三個(gè)方面：(1)為工業(yè)壓力變送器配套。暖通空調(diào)，環(huán)境污染控制，潔凈工程，烘箱增壓，爐膛風(fēng)壓控制，天然氣、煤氣管網(wǎng)監(jiān)測(cè)，井下通風(fēng)和電廠風(fēng)壓監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?qū)ξ毫鞲衅鞯哪晷枨罅考s為十幾萬套。例如，采用微壓差法來檢測(cè)汽車等動(dòng)力裝置中密封件在固定壓力下的泄漏量來標(biāo)識(shí)其密封狀況。在高速鐵路運(yùn)行系統(tǒng)中，檢測(cè)列車高速通過時(shí)對(duì)一定距離外物體的脈動(dòng)風(fēng)壓。(2)液位測(cè)量。石油、化工、國防、輕工等領(lǐng)域的各種液體產(chǎn)品和原料的儲(chǔ)存罐和周轉(zhuǎn)罐在生產(chǎn)和存儲(chǔ)中需要對(duì)其液位高度進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控。由于被測(cè)介質(zhì)對(duì)容器底部的壓力與介質(zhì)的高度成正比，液位信息常采用微壓力傳感器來測(cè)量。(3)醫(yī)療、家電等領(lǐng)域。

常用的微壓力傳感器主要有兩種：一是壓阻式壓力傳感器，二是電容式微壓傳感器。早期的壓力傳感器一般采用平膜片，在制作低量程傳感器芯片時(shí)需要厚度很薄的膜片。隨著膜片厚度的減小，靈敏度提高，膜片中心的“氣球效應(yīng)”使非線性誤差變大。另外，由于原始硅片厚度的不均勻性和背面腐蝕時(shí)各點(diǎn)腐蝕速度的差異，很難保證超薄膜片各點(diǎn)厚度的均勻性。因此單純依賴提升感壓膜片的結(jié)構(gòu)不能滿足對(duì)微壓力測(cè)量越來越高的要求，必須尋求對(duì)應(yīng)力更為敏感的應(yīng)變檢測(cè)方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)微量程壓力的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的發(fā)明一種對(duì)微壓力測(cè)量具有較高靈敏度的微壓傳感器芯片。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案之一是：傳感器芯片由中心帶有單個(gè)硬芯的感壓膜片1、四個(gè)雙端固支梁2和蓋板3組成。單硬芯感壓膜片1的中央硬芯4的四個(gè)邊和感壓膜片1的四個(gè)邊框之間有四個(gè)幾何結(jié)構(gòu)相同并且對(duì)稱分布的雙端固支梁2。單硬芯感壓膜片膜片1和雙端固支梁2由同一硅片制成，單硬芯感壓膜片1與雙端固支梁2之間是真空密封腔5。一部分或全部雙端固支梁2可采用激振器6激勵(lì)而振動(dòng)，成為橋諧振器7，其諧振頻率可由拾振器8檢測(cè)，頻率的大小反映了被測(cè)壓力的大小。蓋板3和單硬芯感壓膜片1之間通過真空鍵合技術(shù)或玻璃密封工藝等真空封裝技術(shù)形成真空密封腔5。單硬芯感壓膜片1的背面也可帶有單島10實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。

技術(shù)方案一的工作原理：在流體壓力作用下，單硬芯感壓膜片1產(chǎn)生形變，從而使位于其上表面邊緣的橋諧振器7受到軸向壓應(yīng)力的作用，該軸向壓應(yīng)力改變橋諧振器7的諧振頻率。通過測(cè)量橋諧振器7的諧振頻率的變化即可反映出流體壓力的大小。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案之二是：傳感器芯片由正面帶有雙硬芯11的感壓膜片12、雙端固支梁2和蓋板3組成。感壓膜片12正面的雙硬芯11之間以及硬芯11與感壓膜片12的邊框之間有三個(gè)幾何結(jié)構(gòu)相同雙端固支梁2。膜片與橋之間是空腔。蓋板3和感壓膜片12之間通過真空鍵合技術(shù)或玻璃密封工藝等真空封裝技術(shù)形成真空密封腔5。感壓膜片12的背面亦可帶有雙島15實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。

技術(shù)方案二的工作原理：在流體壓力作用下，感壓膜片12產(chǎn)生形變，中央的橋諧振器13(即兩個(gè)硬芯11間的諧振器)受到拉應(yīng)力，邊緣橋諧振器14(硬芯11與膜片12邊緣之間的諧振器)受到壓應(yīng)力，其諧振頻率差值反映了被測(cè)壓力的大小，并且可以消除溫度的影響。

本發(fā)明所涉及的二種諧振式微壓傳感器芯片可采用以下工藝制作：

1)原始硅片為SOI硅片。

2)熱氧化或淀積氮化硅薄膜作為掩膜。

3)背面光刻背腐蝕窗口。

4)背面腐蝕硅，腐蝕深度由傳感器量程決定。

5)正面光刻感壓膜片1(或12)和雙端固支梁2。

6)各向異性濕法腐蝕或干法刻蝕，直到二氧化硅埋層暴露出來。

7)緩釋氫氟酸完全腐蝕橋諧振器下面的二氧化硅，雙端固支梁2得到釋放。

8)在橋上制作激振器6和檢振器8。

9)真空封裝。

10)焊接引線，劃片。

本發(fā)明所涉及的二種諧振式微壓傳感器芯片的橋諧振器7、13、14可采用以下激振方式：電磁激勵(lì)、靜電激勵(lì)、壓電激勵(lì)、電熱激勵(lì)、光熱激勵(lì)。其諧振頻率可采用以下方式檢測(cè)：壓電拾振、電容拾振、電磁拾振、光信號(hào)拾振以及壓敏電阻拾振。