[發明專利]一種硅基雙島結構石英梁諧振式微壓力傳感器

有效

• 申請號: 201310016227.0
• 申請日: 2013-01-16
• 公開（公告）號: CN103105248A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 趙玉龍;程榮俊
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01L1/10
• 分類號: G01L1/10;G01L9/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

技術領域

本發明涉及一種石英諧振式壓力傳感器，特別涉及一種硅基雙島結構石英梁諧振式微壓力傳感器。

背景技術

市場上壓力傳感器主要有電容式、壓阻式及諧振式，電容式和壓阻式輸出的是模擬量，必須應用高精度調理電路對微弱信號進行處理，這些因素必然導致測量精度下降；而諧振式壓力傳感器是利用壓力變化來改變物體的諧振頻率，從而通過測量頻率變化來間接測量壓力，其輸出為準數字頻率信號，具有測量精度高，靈敏度高、分辨率高、抗干擾能力強，并且適用于長距離傳輸而不會降低其精度等優點，比較適合對壓力進行高精度檢測。

石英諧振式壓力傳感器具有品質因數高、重復性好、沒有遲滯、時間穩定性好、耐化學腐蝕等優點，成為諧振式傳感器中常見的一種類型，但目前國內外市場上主要是采用傳統機械加工的石英諧振式壓力傳感器，體積大并且很難實現對微壓的高精度測量，尤其在生物醫學、航天等對傳感器體積、重量有嚴格要求的領域，傳統機械加工的石英諧振式壓力傳感器表現出明顯的不足。

利用MEMS技術制造的微壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高等優點成為世界范圍內具有戰略性的研究領域。而目前國內外對MEMS諧振式壓力傳感器的研究主要是硅微諧振式壓力傳感器，傳感器的彈性元件和敏感元件均采用硅材料，利用硅工藝加工，不足在于很難加工出復雜的高品質因數的諧振器結構，并且對諧振器的激勵和檢測都比較困難。

結合石英諧振式壓力傳感器和MEMS壓力傳感器的優點，本發明采用高精度石英梁作為諧振器，MEMS加工的硅基底作為壓力轉換元件，利用石英晶體的壓電特性很容易實現對石英梁諧振器進行壓電激勵和壓電檢測，可廣泛應用于風洞測試，航空航天等領域。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提出一種硅基雙島結構石英梁諧振式微壓力傳感器，采用各向異性腐蝕和干法刻蝕技術制作硅基底和石英梁，具有高靈敏度、高精度、高分辨率的優點。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種硅基雙島結構石英梁諧振式微壓力傳感器，包括殼體1，殼體1的空腔與殼體1上底部的壓力孔9連通，壓力孔9與大氣相通，殼體1空腔內配置有傳感器芯片和兩個電極引腳10，傳感器芯片由上至下依次是石英梁5、硅基底7和玻璃基底8，玻璃基底8與殼體1的空腔底部用環氧樹脂膠粘接，并且玻璃基底8的進氣孔8-3與壓力孔9對正，硅基底7與玻璃基底8通過膠粘接或靜電鍵合封接在一起，石英梁5兩端基座粘接在硅基底7對應的凸臺上，石英梁5基座上的壓焊塊5-5、5-6和兩電極引腳10通過超聲熱壓焊用金絲6連接在一起，壓環3和殼體1上部通過螺紋連接固定在一起，連接處設有彈性密封圈2，壓環3上的螺紋孔4與殼體1的空腔相連通；

所述的硅基底7正面經過ICP刻蝕形成“工”字型凹槽7-3和兩個相同的第一矩形凹槽7-4、第二矩形凹槽7-5，正面未被刻蝕區域形成了兩個矩形粘接凸臺7-1和7-2，第一矩形粘接凸臺7-1上制作了第一對準標記7-6和第二對準標記7-7，第二矩形粘接凸臺7-2上制作了第三對準標記7-8和第四對準標記7-9，硅基底7的背面腐蝕凹腔形成第一硅島7-10和第二硅島7-11，經正面和背面腐蝕后，硅基底7上的“工”字型凹槽7-3所對應的區域即構成壓力敏感膜7-12。

所述的石英梁5由兩端的基座5-1、5-2和中間腐蝕了矩形凹槽的兩根單梁5-3、5-4構成，第一基座5-1上表面覆蓋有第一壓焊塊5-5，第二基座5-2上表面覆蓋有第二壓焊塊5-6，第一單梁5-3和第二單梁5-4的四周均覆蓋有電極，并且電極分別與第一壓焊塊5-5和第二壓焊塊5-6連通，第一基座5-1、第二基座5-2、第一單梁5-3和第二單梁5-4的材料均為石英晶體，第一壓焊塊5-5、第二壓焊塊5-6以及電極的材料為均為金或銀，石英梁5的厚度為80~200μm。

所述的“工”字型凹槽7-3和兩個矩形凹槽7-4、7-5的刻蝕深度為60~100μm，且刻蝕深度相同。

所述的壓力敏感膜7-12的厚度為30~60μm。

所述的四個對準標記7-6、7-7、7-8和7-9尺寸相同，寬度為15~40μm。

所述的玻璃基底8中心加工了一進氣孔8-3，直徑為φ0.5mm~φ1mm，正面刻蝕了兩個方形凹槽8-1、8-2，分別與硅基底7上的兩個硅島7-10、7-11對正，兩個凹槽尺寸相同，刻蝕深度為30~50μm。