[發明專利]一種靜壓補償硅諧振微差壓傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 202310456021.3
• 申請日: 2023-04-25
• 公開（公告）號: CN116465541A
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 謝波;李星雨;魯毓嵐;姚佳輝;陳德勇;王軍波
• 申請（專利權）人: 中國科學院空天信息創新研究院
• 主分類號: G01L13/02
• 分類號: G01L13/02;G01L13/06
• 代理公司: 北京金信知識產權代理有限公司 11225
• 代理人: 王智

本發明提供一種靜壓補償硅諧振微差壓傳感器及其制備方法，傳感器包括復合膜片，復合膜片包括由上至下依次設置的封裝層、諧振器層、壓力敏感膜層，諧振器層包括壓敏電阻和兩個諧振器，兩個諧振器分別位于敏感膜層的中間區域和邊緣區域；壓敏電阻位于壓力敏感膜層邊緣且壓敏電阻與封裝層相接，壓敏電阻用于檢測靜壓大小。本發明為實現差壓測量，通過壓力膜片、諧振器層、封裝層共同組成埋層諧振器復合膜片，兩面的壓力差使得膜片變形，并將應力傳遞給埋在膜片內部的諧振器，從而轉化為諧振器頻率變化。通過硬件或者軟件補償靜壓引起的諧振器頻率偏移，從而拓展傳感器的測量范圍和量程比并最終提高傳感器測量精度。

技術領域

本發明涉及MEMS微傳感器領域，尤其涉及一種靜壓補償硅諧振微差壓傳感器及其制備方法。

背景技術

無人機、高超飛行器等技術的發展對傳感器的精度提出了更高的要求。當飛行器工作在低速、低氣壓等環境下時需對其飛行參數進行精確測量以滿足高精度姿態控制的需求。硅諧振壓力傳感器因其穩定性好，測量精度高，在航空航天領域具有廣泛應用。然而，硅諧振壓力傳感器復雜的諧振器結構以及真空封裝的特殊要求，使得其設計和制備難度極大。目前國外所研制的差壓傳感器已經有了相當高的精度水平，同時在靜壓補償方面具有優勢。如日本橫河公司所研制基于表面硅工藝的差壓傳感器可以在12MPa的靜壓下實現0.2％FS的精度，而國內的有關研究則相對較少，缺乏具有自主知識產權的高精度成熟產品。

在硅諧振微差壓傳感器設計方面，由于諧振器在具有一定的結構尺寸要求的同時還需要滿足真空封裝條件，因此產生的較厚的封裝結構限制了傳感器靈敏度的提升。此外，傳感器實際工作的環境靜壓變化較大，以無人機、浮空器等飛行器為例，其工作壓力可以從100kPa變化到2kPa以下。而諧振器工作所需的空腔結構又導致諧振器具有一定的靜壓敏感度，因此在復雜的工作環境下難以實現高精度的要求。

在制備工藝上，硅諧振微差壓傳感器所需要的制備工藝較為復雜，難以同時滿足需求。為提高差壓傳感器靈敏度，其采用自對準選擇性硅外延生長工藝對諧振器進行局部封裝，該方法存在諧振器釋放粘連、釋放側鉆控制精度差等問題，但制備難度大。CN461438A、CN579147B、CN114993520A等引證技術采用玻璃或硅對諧振器進行密封封裝，封裝層厚度達到了10μm以上，導致諧振器難以靠近表面，靈敏度提升有限，難以滿足微差壓測量要求。

因此，針對硅諧振微差壓的應用需求，有必要設計一種新的具有靜壓補償能力的高靈敏微差壓傳感器并對其制備方法展開研究。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提出一種靜壓補償硅諧振微差壓傳感器及其制備方法，以解決上述技術問題。

本發明第一方面公開了一種靜壓補償硅諧振微差壓傳感器，包括復合膜片，復合膜片包括由上至下依次設置的封裝層、諧振器層、壓力敏感膜層，諧振器層包括壓敏電阻和兩個諧振器，兩個諧振器分別位于敏感膜層的中間區域和邊緣區域；壓敏電阻位于壓力敏感膜層邊緣且壓敏電阻與封裝層相接，壓敏電阻用于檢測靜壓大小。

可選地，諧振器層包括填充結構，填充結構將諧振器、壓敏電阻包圍并與二者間隔設置，填充結構的上下兩側分別與封裝層和壓力敏感膜層連接實現對諧振器的密封。

可選地，諧振器位于靠近復合膜片上表面的一側。

可選地，壓力敏感膜層包括絕緣層，絕緣層與諧振器層相接，絕緣層的制造材料包括氧化硅；諧振器的可動部位懸空。

可選地，壓力敏感膜層包括壓力敏感膜，壓力敏感膜位于絕緣層下方的薄膜區域，薄膜區域與諧振器和壓敏電阻所在區域對應，壓力敏感膜用于受壓形變將應力傳遞給諧振器。

可選地，封裝層包括氧化層，形成于封裝層下表面；氧化層包括兩個諧振器凹槽；諧振器凹槽與諧振器層的諧振梁對應，用于提供諧振梁振動空間。

可選地，氧化層還包括吸氣劑凹槽，吸氣劑凹槽內裝有吸氣劑，吸氣劑凹槽與諧振器層填充結構對應并與諧振器凹槽連通。