[發明專利]一種硅微諧振式壓力傳感器及其制作方法

有效

• 申請號: 201210282401.1
• 申請日: 2012-08-09
• 公開（公告）號: CN102809450A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 王凌云;杜曉輝;邱小椿;何杰;何廣奇;李益盼;孫道恒
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G01L1/10
• 分類號: G01L1/10;G01L9/00;B81B3/00
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種壓力傳感器，尤其是涉及一種基于滑膜阻尼和雙壓力膜結構的硅微諧振式壓力傳感器及其制作方法。

背景技術

基于微機電（MEMS）技術的硅微諧振式壓力傳感器是目前精度最高的硅微壓力傳感器，它通過檢測結構的固有頻率間接測量壓力，為準數字信號輸出，既能與計算機直接相連，也容易組成直接顯示數字的儀表。硅微諧振式傳感器的精度主要受振動結構機械特性的影響，因此其抗電子干擾能力很強，性能穩定。除此之外，硅微諧振式壓力傳感器還具有響應快、頻帶寬、功耗低、結構緊湊、體積小、重量輕、可批量生產等眾多優點，一直是各國研究和開發的熱點。

在硅微諧振式壓力傳感器發展方面，英國DRUCK公司的RPT系列和日本橫河電機株式會社的H橋型諧振式壓力傳感器已實現商業化的生產。尤其是RPT系列的硅微諧振式壓力傳感器經過30多年的發展，已被廣泛應用于航空航天、大氣數據采集等方面，此系列傳感器的基本原理是壓力敏感膜在外界壓力作用下產生形變，這種形變經過固定在壓力敏感膜上的硅島放大，再傳遞到與諧振子相連的諧振梁上，導致諧振梁的剛度等發生變化，進而影響諧振結構面外振動的諧振頻率，此諧振頻率通過電容檢測等方法被外圍電路獲得，從而建立了輸出頻率和輸入壓力的關系，但是此類傳感器因諧振結構需克服壓膜阻尼的影響，其品質因子對封裝真空度的依賴性較強。我國西北工業大學的苑偉政教授等人發明了一種新的硅微諧振式壓力傳感器（任森，苑偉政，喬大勇，王玉朝，呂湘連.基于滑膜差動結構的硅微諧振式壓力傳感器及其制作方法，中國專利200910023322.7），其工作原理是基于滑膜阻尼和電容檢測，以此簡化了制作工藝和版圖設計，降低了高真空封裝的要求，但此種硅微諧振式壓力傳感器因為敏感膜位置太靠近諧振結構，導致起放大作用的支撐柱太短，使得傳感器的靈敏度遠低于RPT系列。

發明內容

本發明的目的在于為了充分利用硅島的放大作用，同時諧振結構克服滑膜阻尼在面內振動以獲得較高的品質因子，提供一種基于滑膜阻尼和雙壓力膜結構的硅微諧振式壓力傳感器及其制作方法。

本發明設有壓力敏感層、諧振結構層、真空封裝蓋帽層和引線電極，所述壓力敏感層的邊框上部與諧振結構層邊框的下部相連，壓力敏感層上部邊框內設有2個壓力膜并形成2個放置平行硅島的空腔，硅島的頂端與諧振結構層上的第1傳遞梁和第2傳遞梁相連，2個空腔之間具有溝道，使諧振結構層上的第1諧振梁、第2諧振梁、第1質量塊和第2質量塊有自由振動的空間，諧振結構層的邊框上部與真空封裝蓋帽層的下部邊框相連，蓋帽層下部邊框內形成空腔，真空封裝蓋帽層上開有引線孔，引線電極通過引線孔與諧振結構層相連。

所述壓力膜距離壓力敏感層的下部有一定距離，所述壓力膜的形狀可為矩形或正方形，壓力膜的厚度可根據量程和靈敏度要求在工藝允許范圍內進行調整。

所述硅島在每個壓力膜上對稱分布一對。

所述諧振結構層設有邊框、第1扭轉梁、第2扭轉梁、第1傳遞梁、第2傳遞梁、第1平衡塊、第2平衡塊、第1定齒、第2定齒、第1支撐梁、第2支撐梁、第1諧振梁、第2諧振梁、第1面外位移限制梁、第2面外位移限制梁、第3面外位移限制梁、第4面外位移限制梁、第1雙邊帶梳齒質量塊和第2雙邊帶梳齒質量塊；所述第1傳遞梁、第2傳遞梁與硅島相連，連接部分靠近硅島與邊框相近的一側，并且通過第1扭轉梁和第2扭轉梁相互連接；第1傳遞梁和第2傳遞梁與第1諧振梁和第2諧振梁通過第1支撐梁和第2支撐梁連接；所述第1雙邊帶梳齒質量塊和第2雙邊帶梳齒質量塊位于第1諧振梁和第2諧振梁的中間位置，第1雙邊帶梳齒質量塊和第2雙邊帶梳齒質量塊的一側與第1定齒構成驅動梳齒對，第1雙邊帶梳齒質量塊和第2雙邊帶梳齒質量塊的另一側與第2定齒構成檢測梳齒對；第1面外位移限制梁、第2面外位移限制梁、第3面外位移限制梁和第4面外位移限制梁限制第1諧振梁和第1諧振梁的面外位移。

所述第1傳遞梁和第2傳遞梁可以與2個壓力膜外側的硅島相連，構成給第1諧振梁和第2諧振梁傳遞拉應力的雙壓力膜結構，此種情況下第1諧振梁和第2諧振梁的固有頻率隨壓力增大而增大，檢測梳齒對檢測到的輸出信號也隨之增大；第1傳遞梁和第2傳遞梁也可以與所述2個壓力膜內側的硅島相連，構成給第1諧振梁和第2諧振梁傳遞壓應力的雙壓力膜結構，此種情況下第1諧振梁和第2諧振梁的固有頻率隨壓力增大而減小，檢測梳齒對檢測到的輸出信號也隨之減小；如上所述兩種工作方式的雙膜結構可以組合使用，構成輸出差分頻率的四壓力膜結構，以提高傳感器的靈敏度。

所述硅微諧振式壓力傳感器的制作方法包括以下步驟：