[發明專利]一種基于微電子機械技術的硅諧振式氣壓傳感器

有效

• 申請號: 201010218423.2
• 申請日: 2010-06-25
• 公開（公告）號: CN102297741A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發明（設計）人: 陳德勇;王軍波;李玉欣;劉猛;毋正偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01L9/00
• 分類號: G01L9/00;B81B3/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明屬于微電子機械技術領域，涉及一種硅諧振式氣壓傳感器。

背景技術

基于微電子機械技術(MEMS)工藝的氣壓傳感器主要分為壓阻式、電容式以及諧振式等三大類。微機械諧振式壓力傳感器因其精度高、穩定性好、體積小、易批量生產等一些優良的特性，被譽為新一代的壓力傳感器，是微電子機械(MEMS)技術繼壓阻式壓力傳感器之后的又一項典型應用。比較國際上已經實用化的幾種諧振式壓力傳感器，有一個共同的特點就是，諧振器工作于高真空環境中，制作工藝要求太高，比如日本橫河公司的電磁激勵諧振式壓力傳感器就要求實現片上高真空密封，而且片上真空密封還存在電極引線以及電絕緣等問題，芯片與管座之間的封裝存在機械應力以及熱應力的有效隔離問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于微電子機械技術的硅諧振式氣壓傳感器，以克服現有技術的不足。

為實現所述目的，本發明提供如下技術解決方案：

一種基于微電子機械技術的硅諧振式氣壓傳感器，其包括諧振梁膜硅片、下蓋基片、支撐基片、金屬管座和管帽；其中，金屬管座上置有多個管針，并有一貫通的導氣孔；支撐基片下表面固定在金屬管座上，上表面與下蓋基片下表面連接，下蓋基片上表面與諧振梁膜硅片連接，其中間部分形成真空參考腔；管帽蓋在金屬管座上，管帽下端與金屬管座周緣密封固接；

多個傳感器引線分別由管針上端引出，與諧振梁膜硅片的金屬電極連接。

所述的硅諧振式氣壓傳感器，其所述諧振梁膜硅片是梁膜一體結構，材料是單晶硅，包括方形框架、壓力膜、多根支撐柱和多組諧振梁(12)；方形框架下表面與下蓋基片上表面固接，多組諧振梁和壓力膜通過對同一硅片的正反兩面進行的選擇性刻蝕形成，同時，方形框架(9)、多根支撐柱在刻蝕工藝中成形；壓力膜剖面形狀呈C型杯狀，周緣與方形框架內側壁固接，多組諧振梁兩端與方形框架上表面固接，每組諧振梁與壓力膜之間通過多根硅支撐柱支撐。

所述的硅諧振式氣壓傳感器，其所述管帽的內頂面上固設有永磁體，諧振梁的激勵方式是電磁激勵，由永磁體提供垂直于硅片平面方向的磁場，驅動諧振梁沿硅片平面方向橫向振動。

所述的硅諧振式氣壓傳感器，其所述下蓋基片材料是單晶硅或鍵合玻璃；通過硅-玻璃真空鍵合或硅-硅真空粘性鍵合，下蓋基片、方型框架、諧振梁膜硅片結合成一體，圍成真空參考腔。

所述的硅諧振式氣壓傳感器，其所述支撐基片材料是單晶硅或鍵合玻璃，其尺寸小于下蓋基片，其上表面與下蓋基片下表面粘合在一起，下表面與金屬管座上表面粘合在一起；支撐基片位于下蓋基片的一角，對諧振梁膜硅片和下蓋基片的組合體形成懸臂支撐。

所述的硅諧振式氣壓傳感器，其所述永磁體通過粘性膠與管帽內頂面粘合在一起；管帽下端通過粘性膠與金屬管座周緣粘合在一起。

所述的硅諧振式氣壓傳感器，其所述壓力膜上固支多組諧振梁，為四組，每組為一條梁，用于差分檢測；多根支撐柱，每條梁至少為三根支撐柱。

本發明的特點：

1、下蓋基片與諧振梁膜硅片通過圓片級真空鍵合形成參考真空腔，硅諧振梁工作于待測大氣介質中，解決真空密封、電極引線以及電絕緣等問題，大大降低封裝難度。待測大氣與參考真空腔之間的壓力差使壓力膜上固支的微結構梁的軸向應力發生改變，從而改變梁的諧振頻率，檢測該諧振頻率的變化實現氣壓的測量。

2、由于壓力膜的位移方向垂直于硅片平面方向，采用橫向振動模式，可有效減小壓力膜的運動與諧振梁的振動之間的耦合干擾，減小結構阻尼；采用電磁激勵，可避免靜電激勵電容檢測要求的極小的電容間隙，給諧振梁的振動提供較大的空間，極大地減小壓膜阻尼。電磁激勵橫向振動模式使諧振器在大氣介質中具有較高的品質因數，無需真空密封亦可保證較好的性能，滿足大氣氣壓的測量需求。

3、在硅壓力膜上固支多組諧振梁，采用差分檢測，提高靈敏度，減小非線性度，通過較小的支撐基片固定在金屬管座上對傳感器芯片進行懸臂支撐，有效隔離封裝應力和熱應力，進一步提高器件穩定性。

附圖說明

圖1是本發明是一種基于微電子機械技術的硅諧振式氣壓傳感器結構示意圖；其中：金屬管座1、支撐基片2、下蓋基片3、諧振梁膜硅片4、管帽5、導氣孔6、管針7、真空參考腔8、方形框架9、壓力膜10、支撐柱11、諧振梁12、永磁體13、引線14。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明加以詳細說明，應指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。