一种作为二次敏感结构的高Q值谐振梁结构制造技术

本发明专利技术公开了一种作为二次敏感结构的高Q值谐振梁结构，属于传感器技术领域。该结构主要包括第一谐振梁、第二谐振梁、第一支撑岛、第二支撑岛、第三支撑岛、第四支撑岛和衬底；第一谐振梁、第二谐振梁通过两端支撑岛固定于衬底上表面，二者间隔一定距离并排平行放置；第一谐振梁、第二谐振梁保持自激振荡，垂直于衬底上表面做反向振动，通过二者之间的振动抵消减小谐振梁通过支撑岛传递到衬底耗散出去的能量，达到提高Q值的目的。相对于现有的横向振动敏感结构，该结构设计简单，降低了加工难度，成品率高。

A High Q Resonant Beam Structure as Secondary Sensitive Structure

The invention discloses a high Q value resonant beam structure as a secondary sensitive structure, which belongs to the field of sensor technology. The structure mainly includes the first resonant beam, the second resonant beam, the first supporting island, the second supporting island, the third supporting island, the fourth supporting island and the substrate; the first resonant beam and the second resonant beam are fixed on the surface of the substrate through the two supporting islands, and they are placed side by side at a certain distance; the first resonant beam and the second resonant beam maintain self-excited oscillation, perpendicular to the surface of the substrate to do the opposite. To reduce the energy dissipated from the resonant beam through the support island to the substrate by the vibration cancellation between the two, the purpose of improving Q value is achieved. Compared with the existing transverse vibration sensitive structure, the structure design is simple, the processing difficulty is reduced and the yield is high.

【技术实现步骤摘要】
一种作为二次敏感结构的高Q值谐振梁结构
本专利技术属于微机电系统领域，具体涉及一种作为二次敏感结构的高Q值谐振梁结构。
技术介绍
谐振式压力传感器是一类典型的通过改变其等效刚度敏感压力变化的谐振式传感器，具有体积小，重量轻，功耗低，测量精度高，稳定性好，易批量生产，直接输出数字量，易于计算机通讯等优点，一直是各国研究和开发的重点。对于直接敏感模式，压力直接作用于谐振敏感结构上，改变其等效刚度；对于间接敏感模式，包括两个敏感环节，即直接感受压力的一次敏感结构和间接感受压力的二次敏感结构。二次敏感结构多为简单的双端固支梁谐振敏感结构，压力通过一次敏感结构转换为作用于谐振敏感结构上的集中力(F)，改变谐振敏感结构的频率。谐振敏感结构间接敏感压力，被测压力不与谐振敏感结构相互作用，谐振敏感结构可以封装于真空中，有利于保持敏感结构的高品质因数，使谐振式压力传感器有很好的工作性质与性能指标。目前，国内外已有许多科研机构在进行相关研究并已有相关产品问世。典型的产品有英国Druck公司利用浓硼自停止刻蚀技术制作的“蝶形梁”结构，采用静电激励/电容检测的工作方式，其二次敏感结构由两个中间连接的矩形板和V形支撑梁构成，振动方式为两矩形板的反向扭转，0.133Pa真空下Q值大于10000，由于二次敏感结构振动方向垂直于压力敏感膜片，二次敏感结构通过压力敏感膜片与外界发生能量耦合；同时，浓硼自停止刻蚀结构自身的内应力及厚度等工艺问题也限制了其应用；日本的Yokogawa也于上世纪90年代中期研制和生产了一种电磁激励/电磁检测硅谐振式压差传感器，通过在6.8mm×6.8mm×0.5mm的单晶硅体上制作感压膜片，在膜片上表面采用外延掺硼技术制作两个H形硅谐振梁(1200μm×20μm×5μm)，一个位于膜片中央，另一个位于膜片边缘处，形成感受压差的复合体，硅梁通过反应密封技术封装在局部真空腔内，Q值高达50000，但是考虑到必须外加恒定磁场，传感器难以实现微型化，并且其选择性外延生长多晶硅薄膜需要控制严格的工艺参数来保证薄膜的质量，对MEMS加工工艺水平要求较高。美国的Schlumberger公司的航空传感器分公司在1991年研制出了一种静电激励/压阻检测的硅谐振式压力传感器，其芯体结构由上下硅片采用硅-硅键合技术连为一体，双端固支梁制作在膜片上表面中央浅槽上方，真空封装后Q值为60000。由于谐振梁振动方向垂直于压力敏感膜片，二者之间不可避免的存在一定程度上的能量耦合；虽然上述两种传感器已经实现市场化，但是其共同存在的问题是结构复杂、制作成本高、成品率相对较低，依我国现有的微机械加工工艺技术水平，加工难度很大。国内中科院电子所从2008年开始电磁激励硅谐振式压力传感器研究，目前共研发了三种电磁激励/电磁检测的硅谐振式压力传感器。第一种谐振器为三组H形双端固支梁，真空下Q值为10000，第二种谐振器为三组双端音叉谐振梁，真空下Q值大于10000。第三种为改进的三组双端音叉谐振梁结构，利用四组H形谐振梁工作于待测压力环境实现差分检测。常压下Q值为1200，1kPa气压下Q值为2600，谐振器Q值会随着待测压力环境变化而变化，不利于闭环控制，会对传感器精度产生影响。三种结构的谐振器和压力敏感膜片均采用浓硼自停止刻蚀技术一体制作，谐振器采用侧向振动以减小与压力敏感膜片之间的能量耦合，但是结构版图复杂，加工难度较大。西北工业大学从2005年开始硅谐振式压力传感器的研究。2007年研制出一种三明治结构的静电激励/电容检测的硅谐振式压力传感器，其谐振器为采用各向异性刻蚀技术镂空的花瓣状结构，常压下Q值为34，谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片。后续又在前期研究基础上利用绝缘体上硅(SOI)深硅刻蚀技术研制出一种侧向动平衡硅微机械谐振压力传感器，选用差动梳齿结构设计，采用静电激励/电容检测方式，谐振器采用侧向动平衡往复振动，常压下Q值为1250，5Pa真空下Q值为50000。上述两种结构存在结构复杂，制作工艺和版图均比较复杂，加工难度大等问题。北京航空航天大学从20世纪90年代初开始硅谐振式压力传感器的研究，目前共研发了两种电热激励/压阻检测的硅谐振式压力传感器。第一种结构谐振器为双端固支梁，真空下Q值为5195。2011年汤章阳进一步提出一种温度自补偿的双谐振梁硅谐振压力传感器，其中一个谐振梁位于感压膜片上表面中心位置用于敏感压力，另一个谐振梁位于边缘非压力敏感区用于补偿温度。虽然两种传感器芯体结构简单，但是两种结构谐振器振动方向均垂直于压力敏感膜片，由于二者之间的能量耦合干扰，传感器Q值提高受到一定限制。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、Q值较高的作为二次敏感结构的高Q值谐振梁结构。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：一种作为二次敏感结构的高Q值谐振梁结构，由第一谐振梁1、第二谐振梁2、支撑岛、衬底3组成；第一谐振梁1、第二谐振梁2平行并排放置；第一谐振梁1的两端分别固定于第一支撑岛11、第二支撑岛12上表面；支撑岛包括第一支撑岛11、第二支撑岛12、第三支撑岛21、第四支撑岛22；衬底3上表面为平面；第一谐振梁1的两端分别固定于第一支撑岛11、第二支撑岛12上表面；第二谐振梁2的两端分别固定于第三支撑岛21、第四支撑岛22上表面；第一支撑岛11、第二支撑岛12、第三支撑岛21和第四支撑岛22上下表面平行且厚度相同，下表面固定于衬底3上表面；第一谐振梁1、第二谐振梁2由同一层原材料刻蚀而成，结构形状尺寸均相同，厚度方向与衬底3上表面垂直，梁宽度大于厚度；第一支撑岛11、第二支撑岛12、第三支撑岛21、第四支撑岛22由同层材料加工而成，形状尺寸均相同。所述第一谐振梁1、第二谐振梁2间隔距离不超过梁宽度的10倍；所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2可以在SOI晶圆器件层刻蚀出第一谐振梁1、第二谐振梁2形状，选择性去除埋氧层的二氧化硅获得支撑岛和悬浮的梁结构；所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2可以采用硅硅键合工艺加工，选取SOI硅片进行减薄、抛光形成梁膜，将梁膜和衬底3键合到一起，利用各向异性刻蚀获得悬浮的梁结构；所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2可以在带有牺牲层的硅片上表面CVD生长多晶硅薄膜并选择性去除局部的二氧化硅获得；所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2可以用石墨烯薄膜制备；所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2采用的激励方式均为静电激励，采用的检测方式可以为电容检测、压阻检测或压电检测；所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2采用的激励方式均为电磁激励，采用的检测方式可以为压阻检测、压电检测或电磁检测；所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2采用的激励方式均为压电激励，采用的检测方式可以为压阻检测、压电检测；所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2活动区域长度为L。本专利技术的原理和工作过程：机械品质因数(Q值)是衡量谐振器机械性能的最重要的参数，谐振器Q值的高低，取决于振动系统能量损失的多少，因此，欲提高传感器的Q值，必须在设计和制造过程中采取对应的措施，降低谐振器振动能量的损耗。谐振梁两端固支区域受到梁在振动过程中产生的剪力和弯矩影响而变形，同时固支区域通过支撑岛结构将梁振动能量传递到衬底。衬底直接与空气接触，所以可以通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种作为二次敏感结构的高Q值谐振梁结构，其特征在于：它由第一谐振梁(1)、第二谐振梁(2)、支撑岛、衬底(3)组成；第一谐振梁(1)、第二谐振梁(2)并排平行放置；支撑岛包括第一支撑岛(11)、第二支撑岛(12)、第三支撑岛(21)、第四支撑岛(22)；衬底(3)上表面为平面；第一谐振梁(1)的两端分别固定于第一支撑岛(11)、第二支撑岛(12)上表面；第二谐振梁(2)的两端分别固定于第三支撑岛(21)、第四支撑岛(22)上表面；第一支撑岛(11)、第二支撑岛(12)、第三支撑岛(21)和第四支撑岛(22)上下表面平行且厚度相同，下表面固定于衬底(3)上表面；第一谐振梁(1)、第二谐振梁(2)由同一层原材料刻蚀而成，结构形状尺寸均相同，厚度方向与衬底(3)上表面垂直，梁宽度大于厚度；第一支撑岛(11)、第二支撑岛(12)、第三支撑岛(21)、第四支撑岛(22)由同层材料加工而成，形状尺寸均相同。

【技术特征摘要】
1.一种作为二次敏感结构的高Q值谐振梁结构，其特征在于：它由第一谐振梁(1)、第二谐振梁(2)、支撑岛、衬底(3)组成；第一谐振梁(1)、第二谐振梁(2)并排平行放置；支撑岛包括第一支撑岛(11)、第二支撑岛(12)、第三支撑岛(21)、第四支撑岛(22)；衬底(3)上表面为平面；第一谐振梁(1)的两端分别固定于第一支撑岛(11)、第二支撑岛(12)上表面；第二谐振梁(2)的两端分别固定于第三支撑岛(21)、第四支撑岛(22)上表面；第一支撑岛(11)、第二支撑岛(12)、第三支撑岛(21)和第四支撑岛(22)上下表面平行且厚度相同，下表面固定于衬底(3)上表面；第一谐振梁(1)、第二谐振梁(2)由同一层原材料刻蚀而成，结构形状尺寸均相同，厚度方向与衬底(3)上表面垂直，梁宽度大于厚度；第一支撑岛(11)、第二支撑岛(12)、第三支撑岛(21)、第四支撑岛(22)由同层材料加工而成，形状尺寸均相同。2.根据权利要求1所述的一种作为二次敏感结构的高Q值谐振梁结构，其特征在于：所述的第一谐振梁(1)、第二谐振梁(2)间隔距离不超过梁宽度的10倍。3.根据权利要求1所述的一种作为二次敏感结构的高Q值谐振梁结构，其特征在于：所述的第一谐振梁(1)、第二谐振梁(2)在SOI晶圆器件层刻蚀出第一谐振梁(1)、第二谐振梁(2)形状，选择性去除埋氧层的二...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢维巍，邹梦启，樊尚春，韦祎，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11