[發明專利]一種懸臂梁式差動諧振壓力傳感器芯片

有效

• 申請號: 201910216559.0
• 申請日: 2019-03-19
• 公開（公告）號: CN109883581B
• 公開（公告）日: 2020-12-08
• 發明（設計）人: 趙玉龍;張全偉;李村;李波;韓超;葛曉慧
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01L1/10
• 分類號: G01L1/10
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種懸臂梁式差動諧振壓力傳感器芯片，包括芯片襯底層，芯片襯底層上設有壓力敏感膜層，壓力敏感膜層上設有支撐層，支撐層上設有懸臂梁結構層；懸臂梁的上下兩側平行對稱安裝有第一石英雙端固支音叉和第二石英雙端固支音叉；測量壓力時，待測壓力作用于敏感壓力膜層上，使得懸臂梁結構層的懸臂梁彎曲，兩根石英音叉梁分別受到拉應力和壓應力的作用，進而使得石英音叉梁諧振頻率發生變化，通過測量頻率變化，可獲得待測壓力信息，且形成差動輸出，不僅可以提高敏感度，還可以抑制溫漂等共軛干擾；測量過程無需數模轉換，輸出為準數字的壓力信號，具有抗干擾能力強，重量輕和體積小等特點。

技術領域

本發明屬于微機械電子(MEMS)數字式壓力傳感器技術領域，具體涉及一種懸臂梁式差動諧振壓力傳感器芯片。

背景技術

差動輸出作為一種有效的提高傳感器精度和可靠性的方法在加速度傳感器中被廣泛應用，但是它在諧振壓力傳感器領域中的應用卻很少見。差動輸出是指兩個諧振器對稱受力，且一個受拉諧振頻率增加，另一個受壓諧振頻率降低，頻率作差即可檢測所受壓力的大小，不僅提高了敏感度，還可以抑制溫漂等共軛干擾。現有的擁有差動結構諧振壓力傳感器一般都引入復雜的附屬結構，如波紋管、波登管和柔性杠桿等，采用傳統機械加工工藝制作，加工成本高，不適合批量化生產。相比而言，基于石英晶體或單晶硅材料的MEMS工藝發展更為成熟，容易保證復雜壓力轉換元件的結構尺寸精度并實現批量化生產；由于硅材料的諧振器，振頻率低、靈敏度差、品質因數Q值低，一般采用石英晶體作為諧振元件材料。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于一種懸臂梁式差動諧振壓力傳感器芯片，具有數字信號輸出，精度高，抗干擾能力強，重量輕和體積小等特點。

為了實現上述目標，本發明采用的技術方案為：

一種懸臂梁式差動諧振壓力傳感器芯片，包括芯片襯底層6，芯片襯底層6上設有壓力敏感膜層5，壓力敏感膜層5上設有支撐層4，支撐層4上設有懸臂梁結構層3；懸臂梁的上下兩側平行對稱安裝有第一石英雙端固支音叉1和第二石英雙端固支音叉2。

所述的懸臂梁結構層3包括懸臂梁外框架3a、懸臂梁3b、中心塊3c，中心塊3c處于懸臂梁外框架3a正中心，中心塊3c通過懸臂梁3b和懸臂梁外框架3a連接；

所述的支撐層4包括支撐外框架4a、第一引線缺口4b，第一引線缺口4b設在支撐外框架4a一邊的中部；

所述的壓力敏感膜層5包括壓力膜外框架5a、中心島5b、薄膜5c和第二引線缺口5d，壓力膜外框架5a的中部和薄膜5c連接，薄膜5c的中部和中心島5b連接，中心島5b位于壓力膜外框架5a和薄膜5c的正中心，壓力膜外框架5a的一邊中部設有第二引線缺口5d；

所述的芯片襯底層6包括襯底外框架6a和中部的空腔6b，空腔6b的大小和位置與薄膜5c對應；

所述的第一石英雙端固支音叉1和第二石英雙端固支音叉2結構相同，石英音叉梁的一端端頭兩面為a、c面，另一端端頭兩面為b、d面，在其a面有檢測電極，在b面有與外部電路連接的焊盤，c面和d面是安裝面；

第一石英雙端固支音叉1、第二石英雙端固支音叉2的c面安裝在懸臂梁結構層3的中心塊3c的上下表面，第一石英雙端固支音叉1、第二石英雙端固支音叉2的d面安裝在懸臂梁外框架3a的上下兩側；懸臂梁外框架3a的底面和支撐外框架4a上面連接，第一引線缺口4b放置在第二石英雙端固支音叉2的b、d面一端；支撐外框架4a底面和壓力膜外框架5a上面連接，第二引線缺口5d和第一引線缺口4b對應放置，中心島5b與第二石英雙端固支音叉2的a面連接；壓力膜外框架5a底面和襯底外框架6a上面連接，空腔6b和薄膜5c對應放置。

所述的石英雙端固支音叉的石英音叉梁表面四周設置有電極，電極之間相互電連接，用以石英音叉起振，在逆壓電效應作用下，通交變電壓，石英音叉梁處于預設振動模態。