基于压阻检测的谐振式压力传感器及其制备方法技术

一种基于压阻检测的谐振式压力传感器及其制备方法，该谐振式压力传感器包括压力敏感膜、位于压力敏感膜上的谐振器和六个锚点，该谐振器包括双端固支梁和位于双端固支梁两侧的两个驱动电极，其中该双端固支梁包括两端部和连接至该两端部的两根单梁，通过对称地在该两根单梁的根部区域进行刻蚀，在该两根单梁的根部形成体压阻，在该两端部形成相同的三电极结构，其中一个三电极结构悬空，另一个三电极结构以中间位置的电极作为接地端，以两侧位置的电极作为检测电极；该六个锚点分别位于两个三电极结构下方，将该双端固支梁固支于压力敏感膜上。本发明专利技术采用压阻检测及谐振器音叉振动方式，提高了输出信号强度，增强了抗干扰能力和稳定性。

Resonant pressure sensor based on piezoresistive detection and its preparation method

A resonant pressure sensor based on piezoresistive detection and its preparation method comprise a pressure sensitive membrane, a resonator located on a pressure sensitive membrane, and six anchors. The resonator comprises a double-ended clamped beam and two driving electrodes located on both sides of a double-ended clamped beam, wherein the double-ended clamped beam comprises two driving electrodes. Two single beams connected to the ends of the two beams are symmetrically etched in the root region of the two single beams, forming a body piezoresistive at the root of the two single beams, and forming the same three-electrode structure at the two ends, one with a three-electrode structure suspended and the other with an electrode in the middle as the connection. At the ground end, electrodes on both sides are used as detection electrodes, and the six anchor points are located under two three-electrode structures, respectively, and the two-end fixed support beam is fixed on the pressure sensitive membrane. The invention adopts piezoresistive detection and resonator tuning fork vibration mode, improves output signal strength, enhances anti-interference ability and stability.

【技术实现步骤摘要】
基于压阻检测的谐振式压力传感器及其制备方法
本专利技术涉及MEMS微传感器
，尤其涉及一种基于压阻检测的谐振式压力传感器。
技术介绍
谐振式压力传感器是将谐振器作为敏感结构，利用压力变化改变谐振器的特征频率，通过监测谐振器特征频率的变化来间接测量压力的一种压力测量装置。由于传感器输出频率信号，适用于长距离传输而不会降低其精度，可以不经AD转换方便地与上位机通信，构成高精度控制系统。谐振式压力传感器有着良好的线性度、分辨率、稳定性和极高的精度，广泛运用在气象，宇航等重要领域。谐振压力传感器的核心部件是压力敏感膜和通过锚点固定在敏感膜上的可动谐振器。压力敏感和谐振器几乎决定着传感器的所有性能，压力敏感膜的结构相对比较稳定，一般都是采用方形膜。而谐振器的设计时要考虑谐振器的激励和检测原理，以及与电路的兼容性问题，谐振器的结构差异性很大。目前，谐振器激励一般采用的是：电热激励，电磁激励和静电激励。电热激励是利用温度差导致的热应力来迫使谐振器产生变形，但该类传感器受温度的影响较大，抗干扰能力和温度性能较差。电磁激励是利用通电导体在磁场里受到安培力的作用来激励谐振器，由于电磁激励的谐振器需要磁场，一般传感器内部都有永磁体，其质量和体积都较大。此外实际应用中还存在电磁干扰的问题。静电激励是采用较为广泛的激励方式，根据静电力的来源又可以将静电激励分为梳齿电容激励和平板电容激励两种。无论是哪种电容的激励，都需要电容极板之间的间距足够小，以此来提供较大的驱动力，因此电容激励的谐振器一般对加工精度的要求很高。对于频率信号的检测，目前主要采用的是电磁检测，电容检测和压阻检测等。电磁检测是利用电磁感应的原理，利用谐振器的微梁在磁场中切割磁感线产生的感应电动势来提取谐振器的特征频率，与电磁激励一样，电磁检测也容易受到电磁信号的干扰，影响其精度。电容检测是利用电容充放电的过程中电荷/电压的变化来提取谐振器的特征频率变化，但是MEMS加工的电容值较小，电路提取的信号比较微弱，检测比较困难。压阻检测是利用材料的压阻效应，检测谐振器上压阻敏感位置的电阻变化来提取整个谐振器的特征频率信号。此外，为提供谐振器低阻尼的振动环境，同时为保护其免受外界灰尘、湿度、腐蚀等因素的干扰和破坏，谐振器往往需要密封在真空环境之中。在MEMS工艺中用于圆片级的真空封装技术主要有：熔融键合，阳极键合和共晶键合等。其中阳极键合适用于硅和玻璃的键合，对表面平整度要求相对较低，键合强度高，广泛用于压力传感器、加速度计、陀螺仪等器件的加工中。但硅和玻璃的热膨胀系数存在差异，导致传感器在全温范围内温度系数相对较大，因此要对传感器进行温度补偿。MEMS传感器最后都是通过金属引线的方式将芯片上的信号引出到传感器底座上，目前引线的材料采用的主要是硅铝丝和金丝。硅铝丝可以直接压在硅上，但硅铝丝材料容易断裂，金丝必须是压焊在金衬底上。多层机构的MEMS器件的电极一般都是采用硅通孔技术制作，在溅射金衬底时，又容易将金属溅射到硅通孔的侧壁上，导致电极间的短路。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于压阻检测的谐振式压力传感器及其制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：作为本专利技术的一个方面，提供一种基于压阻检测的谐振式压力传感器，包括在SOI片上集成的传感器本体，其包括：压力敏感膜，由SOI片的基底层形成；谐振器，由SOI片的器件层形成，位于所述压力敏感膜上方，该谐振器包括：双端固支梁，包括两端部和连接至该两端部的两根单梁，通过对称地在该两根单梁的根部区域进行刻蚀，在该两根单梁的根部形成体压阻，在该两端部形成相同的三电极结构，其中：一端部的三电极结构悬空，另一端部的三电极结构以中间位置的电极作为接地端，以两侧位置的电极作为检测电极；以及两个驱动电极，分别位于所述双端固支梁的两侧，在该两个驱动电极上施加直流、交流驱动电压，以静电力驱动该双端固支梁发生音叉振动，其中，所述接地端和两个检测电极能够连接至电阻/电压检测电路以测量所述体压阻上的电阻/电压随该音叉振动而产生的变化；以及六个锚点，由SOI片的绝缘层形成，分别位于所述双端固支梁的两端部的三电极结构下方，将所述双端固支梁固支于所述压力敏感膜上。优选地，所述谐振器为两个，并且具有相同的结构，分别位于所述压力敏感膜上方的相对中间区域和相对边缘区域，以进行压力和温度的双参数测量。优选地，所述两个驱动电极分别与相邻的单梁形成平板电容或梳齿电容，以产生能够驱动该双端固支梁发生音叉振动的静电力。优选地，所述传感器本体还包括位于所述压力敏感膜外围的若干引线端子，由所述SOI片的器件层形成，所述若干引线端子分别连接至谐振器的接地端、驱动电极和检测电极。优选地，位于每个所述引线端子的中心位置处穿过所述基底层和绝缘层形成有引线孔，所述引线孔内形成有金属焊盘，在该金属焊盘上压焊引线，以连接至外部电路。优选地，所述引线孔的外围一圈形成有电气隔离槽。优选地，所述引线端子的外围形成有电气隔离槽。优选地，所述谐振式压力传感器还包括玻璃盖板，其与SOI片通过阳极键合以将所述谐振器封装在真空环境中，其中所述玻璃盖板与压力敏感膜相对应的位置形成有一空腔。优选地，所述空腔内沉积有吸气剂。作为本专利技术的另一个方面，提供一种如上所述的谐振式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤A：在SOI片的基底层上刻蚀形成引线孔和压力敏感膜；步骤B：在所述SOI片的器件层上刻蚀形成谐振器和引线端子，谐振器通过腐蚀所述SOI片暴露的绝缘层而释放；步骤C：在玻璃基板上制作空腔，并沉积吸气剂，形成玻璃盖板；步骤D：所述SOI片和玻璃盖板进行阳极键合以将谐振器密封在真空腔内；步骤E：在引线孔内通过溅射金属制作金属焊盘。基于上述技术方案，本专利技术的有益效果在于：1、采用压阻检测方式，提高了传感器的输出信号强度；2、采用谐振器音叉振动模式，可以去传感器结构耦合，提高传感器的抗干扰能力和稳定性；3、采用体压阻设计，在SOI片器件层上与其它结构一起一次性完成刻蚀，降低了传感器领域压阳制作的复杂度；4、采用双谐振器的设计能够同时表征传感器的压力和温度，并利用温度参数实现压力传感器温度自补偿，提高压力和温度测量精度，其可在一次刻蚀工艺完成，不会增加工艺复杂度；5、采用SOI制作引线孔，降低引线互连制作的复杂度，提高真空封装可靠性；6、采用SOI过孔引线的方式，可通过溅射金属在器件层内形成等电位，避免谐振器吸合失效，提高成品率。附图说明图1是本专利技术实施例基于压阻检测的谐振式压力传感器的示意图；图2是本专利技术实施例平板电容驱动谐振器的结构简化图；图3是本专利技术实施例梳齿电容驱动谐振器的结构简化图；图4是本专利技术实施例谐振器驱动检测方式的示意图；图5是图1所示的谐振式压力传感器底部结构的示意图。上述附图中，附图标记含义具体如下：100-玻璃盖板；110-吸气剂；120-空腔；200-SOI片；210-基底层；211a-第一谐振器；211b-第二谐振器；212-连接结构；213-引线端子；214-第一电气隔离槽；215-密封边框；216a-单梁；216b-压阻；217-驱动电极；218-检测电极；219-接地端；220-绝缘层；221-锚点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压阻检测的谐振式压力传感器，包括在SOI片上集成的传感器本体，其包括：压力敏感膜，由SOI片的基底层形成；谐振器，由SOI片的器件层形成，位于所述压力敏感膜上方，该谐振器包括：双端固支梁，包括两端部和连接至该两端部的两根单梁，通过对称地在该两根单梁的根部区域进行刻蚀，在该两根单梁的根部形成体压阻，在该两端部形成相同的三电极结构，其中：一端部的三电极结构悬空，另一端部的三电极结构以中间位置的电极作为接地端，以两侧位置的电极作为检测电极；以及两个驱动电极，分别位于所述双端固支梁的两侧，在该两个驱动电极上施加直流、交流驱动电压，以静电力驱动该双端固支梁发生音叉振动，其中，所述接地端和两个检测电极能够连接至电阻/电压检测电路以测量所述体压阻上的电阻/电压随该音叉振动而产生的变化；以及六个锚点，由SOI片的绝缘层形成，分别位于所述双端固支梁的两端部的三电极结构下方，将所述双端固支梁固支于所述压力敏感膜上。

【技术特征摘要】
1.一种基于压阻检测的谐振式压力传感器，包括在SOI片上集成的传感器本体，其包括：压力敏感膜，由SOI片的基底层形成；谐振器，由SOI片的器件层形成，位于所述压力敏感膜上方，该谐振器包括：双端固支梁，包括两端部和连接至该两端部的两根单梁，通过对称地在该两根单梁的根部区域进行刻蚀，在该两根单梁的根部形成体压阻，在该两端部形成相同的三电极结构，其中：一端部的三电极结构悬空，另一端部的三电极结构以中间位置的电极作为接地端，以两侧位置的电极作为检测电极；以及两个驱动电极，分别位于所述双端固支梁的两侧，在该两个驱动电极上施加直流、交流驱动电压，以静电力驱动该双端固支梁发生音叉振动，其中，所述接地端和两个检测电极能够连接至电阻/电压检测电路以测量所述体压阻上的电阻/电压随该音叉振动而产生的变化；以及六个锚点，由SOI片的绝缘层形成，分别位于所述双端固支梁的两端部的三电极结构下方，将所述双端固支梁固支于所述压力敏感膜上。2.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述谐振器为两个，并且具有相同的结构，分别位于所述压力敏感膜上方的相对中间区域和相对边缘区域，以进行压力和温度的双参数测量。3.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所述两个驱动电极分别与相邻的单梁形成平板电容或梳齿电容，以产生能够驱动该双端固支梁发生音叉振动的静电力。4.根据权利要求1所述的谐振式压力传感器，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈德勇，鲁毓岚，王军波，侍小青，谢波，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11