[發明專利]一種硅基單島結構石英梁諧振式微壓力傳感器芯片

有效

• 申請號: 201310016272.6
• 申請日: 2013-01-16
• 公開（公告）號: CN103115720A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 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: G01L9/08
• 分類號: G01L9/08
• 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，特別涉及一種硅基單島結構石英梁諧振式微壓力傳感器芯片。

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單島結構石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，采用各向異性腐蝕和ICP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：

一種硅基單島結構石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，包括石英梁7，石英梁7通過低應力粘接膠8粘接在硅基底1的正面上，石英梁7的四個對角分別與硅基底1正面上的四個對準標記12-1、12-2、12-3、12-4對準，硅基底1的背面與玻璃基底9封接在一起，玻璃基底9的正面腐蝕了凹槽11，凹槽11的中心加工了一壓力孔10，壓力孔10與大氣相通，或者與另一被測氣源相通形成差壓式傳感器；

所述的硅基底1正面經過ICP刻蝕形成U型凹槽2-1和矩形凹槽2-2，正面未被刻蝕區域形成了矩形粘接凸臺4和兩根硅梁，兩根硅梁為第一硅梁6-1、第二硅梁6-2，矩形粘接凸臺4和硅基底1的外圍分別制作了第一對準標記12-1、第二對準標記12-2和第三對準標記12-3、第四對準標記12-4，硅基底1的背面腐蝕凹腔形成一個硅島5，經正面和背面腐蝕后，硅基底1上的U型凹槽2-1和矩形凹槽2-2所對應的區域即構成壓力敏感膜3。

所述的石英梁7由兩端的第一基座13-1、第二基座13-2和中間腐蝕了矩形凹槽的兩根單梁14-1、14-2構成，第一基座13-1上表面覆蓋有兩壓焊塊，分別為第一壓焊塊15-1和第二壓焊塊15-2，第一單梁14-1和第二單梁14-2的四周均覆蓋有電極，并且電極分別與第一壓焊塊15-1和第二壓焊塊15-2連通，第一基座13-1、第二基座13-2、第一單梁14-1和第二單梁14-2的材料均為石英晶體，第一壓焊塊15-1、第二壓焊塊15-2以及兩根單梁四周覆蓋的電極材料為均為金或銀，石英梁7的厚度為80~200μm。

所述的U型凹槽2-1和矩形凹槽2-2的刻蝕深度為60~100μm，且刻蝕深度一致。

所述的壓力敏感膜3的厚度為30~60μm。

所述的第一硅梁6-1、第二硅梁6-2寬度為100~300μm，且寬度一致。

所述的凹槽11刻蝕深度為30~50μm。

所述的四個對準標記12-1、12-2、12-3、12-4圍成的矩形區域與石英梁7的四個對角所圍成的區域大小一致。