一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器，属于微电子机械技术领域。所述谐振式压力传感器包括紧密连接的压力敏感材料层和谐振器结构层；谐振器结构层的中部设有谐振器；谐振器包括主谐振梁和位于主谐振梁两侧的对称设置的谐振机构，两侧谐振机构结构相同；谐振机构包括双面梳齿结构、一对侧梁和质量块；双面梳齿结构包括两对电极和梳齿杆；一侧的压力敏感材料层之间设有复合梁式温度传感器；所述谐振式压力传感器的输入信号由所述激励电极、引线电极分别引入，输出信号由所述检测电极引出。本发明专利技术压力敏感薄膜上的形变通过硅岛转化成谐振器方向上的平面振动，谐振器与压力敏感膜片的工作模态相互垂直，抵抗外界干扰能力更强。

A resonant pressure sensor with multi parameter cooperative sensitivity and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器及其制备方法
本专利技术属于微电子机械
，涉及一种微惯性传感器，具体涉及一种基于静电激励/电容检测的多参量协同敏感的谐振式压力传感器及其制备方法。
技术介绍
基于微机电系统技术的硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高的压力传感器之一，代表着当今世界传感器技术的最高水平。它的特征尺寸一般为微米或亚微米量级，采用硅微机械加工工艺制造，通过检测结构的固有频率间接测量压力，为准数字信号输出，既能与计算机直接相连，也容易组成直接显示数字的仪表，信号采集和处理方便。传感器精度主要受传感器机械特性的影响，信噪比高，抗干扰能力强，性能稳定。除此之外，硅微机械谐振压力传感器还具有体积小、重量轻、功耗低、结构紧凑、频带宽、抗冲击、易于集成化、可批量生产等众多优点。在硅微谐振式压力传感器的发展方面，具有代表性的有下面几种：Druck公司的WELHAM等将MEMS表面微加工工艺与体微加工工艺结合制作了一种静电激励/电容检测的硅微机械谐振压力传感器，采用面内振动多晶硅梳齿谐振器。虽然其谐振器与压力敏感膜片的工作模态互相垂直可以减小二者之间的能量耦合，但改进能力有限，当压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度会发生变化，而激励与检测梳齿位置不动，因此激励力和检测信号均会减小，这样不仅增加了闭环控制的难度，同时也会对传感器精度产生影响，因此存在不稳定激励与检测的问题。法国Thales公司ANDLE等研发出一种静电激励/电容检测的双端固支梁式硅微机械谐振压力传感器，利用三层硅硅真空键合技术制作，传感器的谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片，因此精度受同振质量影响，且压力敏感膜片受压变形时激励力与检测信号的非线性变化会增加闭环控制的难度。美国美国斯坦福大学也报道了一种静电激励/电容检测的硅微机械谐振压力传感器，其谐振器为三个双端固支音叉谐振器，一个用来通过压力敏感膜片测量压力，一个用来测试并补偿温度，一个用来测试并补偿封装应力，最终将温度系数减小到原来的5%，应力影响减小到原来的一半。但是这种传感器的压力敏感膜片为外延多晶硅材料且固定有电极层，因此会对重复性和迟滞等传感器性能产生影响。现有硅微机械谐振压力传感器存在以下问题：1、压力敏感薄膜受压变形时谐振器的高度会发生变化，而激励与检测梳齿位置不动，因此激励力和检测信号都会减小，这样不仅增加了闭环控制的难度，同时也会对传感器的精度产生影响，因此存在不稳定激励与检测的问题，加大外围电路的设计难度；2、传感器的谐振器振动方向垂直于压敏膜片时，谐振器与压力敏感薄膜之间存在能量耦合，同振质量会对精度产生影响，目前市场上比较成熟的压力传感器精度通常>0.1%FS；3、传感器受温度影响较大，压敏膜片两端的静压力差会随着温度发生变化，进而引起谐振器的输出频率发生改变，此外，传感器芯体结构中的硅以及各种材料之间存在均热涨系数差异，并且杨氏模量受温度影响，因此当温度发生改变的时候也会引起谐振梁的内应力发生变化，进而影响传感器的谐振频率，因为谐振式压力传感器是通过检测谐振频率的变化来测量压力，所以最终会导致测量压力值的误差，市场上现有压力传感器产品或多或少都会受到温度漂移的影响，现有产品的温度漂移系数通常>±0.5%FS/℃；4、目前国内硅微机械谐振压力传感器的工程化进展较为缓慢，核心技术被国外垄断，部分产品存在工艺复杂、成品率低、市场竞争力不足的问题。
技术实现思路
为了进一步提高硅微机械谐振压力传感器的测量数度，本专利技术提供一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器；同时，本专利技术提供一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器的制备方法。谐振式压力传感器采用硅梳齿双端固定音叉的谐振器结构以及非接触的静电激励、电容检测的工作方式，压力敏感薄膜上的形变通过硅岛转化成谐振器方向上的平面振动，这种互相垂直的谐振器与压力敏感薄膜工作模态抵抗外界干扰能力更强，传感器精度基本不受同振质量影响，谐振器振动更加稳定可靠。通过在悬臂梁上制作复合梁式温度传感器，不仅可以输出温度信号，还可以通过外围补偿电路，输出对温度进行补偿后的压力信号，减少了温度对测量压力的影响，大大提高了测量精度。为了解决现有技术存在的上述技术缺陷，本专利技术提出了一种静电激励/电容检测的多参量协同敏感的谐振式压力传感器及其制备方法，谐振式压力传感器采用硅梳齿双端固定音叉的谐振器结构以及非接触的静电激励、电容检测的工作方式，压力敏感薄膜上的形变通过硅岛转化成谐振器方向上的平面振动，这种互相垂直的谐振器与压力敏感薄膜工作模态抵抗外界干扰能力更强，传感器精度基本不受同振质量影响，谐振器振动更加稳定可靠。通过在悬臂梁上制作复合梁式温度传感器，不仅可以输出温度信号，还可以通过外围补偿电路，输出对温度进行补偿后的压力信号，减少了温度对测量压力的影响，大大提高了测量精度。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器包括紧密连接的压力敏感材料层1和谐振器结构层2；与谐振器结构层2对应的压力敏感材料层1一侧面的中部开设有敞口状的空腔19，空腔19两侧内底部分别设有硅岛9；与硅岛9对应的压力敏感材料层1另一侧面的两侧分别设有盲孔状的凹槽，凹槽内底部设有压力敏感薄膜8；所述谐振器结构层2的中部设有谐振器3，谐振器3位于所述空腔19中部的上方；谐振器结构层2的两侧分别开设有窗口，暴露出压力敏感材料层1上两侧的空腔19；与每侧空腔19对应的谐振器结构层2上分别均布设有两个引线电极14；所述谐振器3包括主谐振梁4和位于主谐振梁4两侧的对称设置的谐振机构，所述主谐振梁4的两端分别位于两侧的空腔19上方；两侧谐振机构结构相同，所述谐振机构包括双面梳齿结构、一对侧梁6和质量块12；所述双面梳齿结构包括两对电极和梳齿杆5，每对电极由激励电极10和检测电极11组成，两对电极的激励电极10和检测电极11分别位于梳齿杆5的两侧，且激励电极10和梳齿杆5之间、检测电极11和梳齿杆5之间分别呈梳齿配合状态，形成差分电容检测机构；平行与梳齿杆5设有质量块12，梳齿杆5的中部连接着质量块12一侧的中部；所述侧梁6为L型梁，一对侧梁6分别位于两只检测电极11的外部，且一对侧梁6的一端分别连接着质量块12另一侧的中部，一对侧梁6的另一端分别固定连接着压力敏感材料层1，使一对侧梁6分别形成双端固支梁；质量块12另一侧的中部连接着主谐振梁4的中部；所述主谐振梁4的两端分别通过连接梁13连接着两侧硅岛9的顶部，一侧硅岛9和空腔19一侧的压力敏感材料层1之间设有温度传感器15；所述温度传感器15为复合梁式温度传感器；所述谐振式压力传感器的输入信号由所述激励电极10、引线电极14分别引入，输出信号由所述检测电极11引出。进一步限定的技术方案如下：所述复合梁式温度传感器包括悬臂梁154，悬臂梁154的一侧上由下至上依次设有氧化硅层153、氮化硅层152和铝膜层151；所述悬臂梁154的另一侧上设有两对压阻模块156构成的惠斯通等效电桥，所述惠斯通等效电桥的根部分别设有四个温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器，其特征在于：包括紧密连接的压力敏感材料层（1）和谐振器结构层（2）；/n与谐振器结构层（2）对应的压力敏感材料层（1）一侧面的中部开设有敞口状的空腔（19），空腔（19）两侧内底部分别设有硅岛（9）；与硅岛（9）对应的压力敏感材料层（1）另一侧面的两侧分别设有盲孔状的凹槽，凹槽内底部设有压力敏感薄膜（8）；/n所述谐振器结构层（2）的中部设有谐振器（3），谐振器（3）位于所述空腔（19）中部的上方；谐振器结构层（2）的两侧分别开设有窗口，暴露出压力敏感材料层（1）上两侧的空腔（19）；与每侧空腔（19）对应的谐振器结构层（2）上分别均布设有两个引线电极（14）；/n所述谐振器（3）包括主谐振梁（4）和位于主谐振梁（4）两侧的对称设置的谐振机构，所述主谐振梁（4）的两端分别位于两侧的空腔（19）上方；两侧谐振机构结构相同，所述谐振机构包括双面梳齿结构、一对侧梁（6）和质量块（12）；所述双面梳齿结构包括两对电极和梳齿杆（5），每对电极由激励电极（10）和检测电极（11）组成，两对电极的激励电极（10）和检测电极（11）分别位于梳齿杆（5）的两侧，且激励电极（10）和梳齿杆（5）之间、检测电极（11）和梳齿杆（5）之间分别呈梳齿配合状态，形成差分电容检测机构；平行与梳齿杆（5）设有质量块（12），梳齿杆（5）的中部连接着质量块（12）一侧的中部；所述侧梁（6）为L型梁，一对侧梁（6）分别位于两只检测电极（11）的外部，且一对侧梁（6）的一端分别连接着质量块（12）另一侧的中部，一对侧梁（6）的另一端分别固定连接着压力敏感材料层（1），使一对侧梁（6）分别形成双端固支梁；质量块（12）另一侧的中部连接着主谐振梁（4）的中部；所述主谐振梁（4）的两端分别通过连接梁（13）连接着两侧硅岛（9）的顶部，一侧硅岛（9）和空腔（19）一侧的压力敏感材料层（1）之间设有温度传感器（15）；所述温度传感器（15）为复合梁式温度传感器；/n所述谐振式压力传感器的输入信号由所述激励电极（10）、引线电极（14）分别引入，输出信号由所述检测电极（11）引出。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器，其特征在于：包括紧密连接的压力敏感材料层（1）和谐振器结构层（2）；
与谐振器结构层（2）对应的压力敏感材料层（1）一侧面的中部开设有敞口状的空腔（19），空腔（19）两侧内底部分别设有硅岛（9）；与硅岛（9）对应的压力敏感材料层（1）另一侧面的两侧分别设有盲孔状的凹槽，凹槽内底部设有压力敏感薄膜（8）；
所述谐振器结构层（2）的中部设有谐振器（3），谐振器（3）位于所述空腔（19）中部的上方；谐振器结构层（2）的两侧分别开设有窗口，暴露出压力敏感材料层（1）上两侧的空腔（19）；与每侧空腔（19）对应的谐振器结构层（2）上分别均布设有两个引线电极（14）；
所述谐振器（3）包括主谐振梁（4）和位于主谐振梁（4）两侧的对称设置的谐振机构，所述主谐振梁（4）的两端分别位于两侧的空腔（19）上方；两侧谐振机构结构相同，所述谐振机构包括双面梳齿结构、一对侧梁（6）和质量块（12）；所述双面梳齿结构包括两对电极和梳齿杆（5），每对电极由激励电极（10）和检测电极（11）组成，两对电极的激励电极（10）和检测电极（11）分别位于梳齿杆（5）的两侧，且激励电极（10）和梳齿杆（5）之间、检测电极（11）和梳齿杆（5）之间分别呈梳齿配合状态，形成差分电容检测机构；平行与梳齿杆（5）设有质量块（12），梳齿杆（5）的中部连接着质量块（12）一侧的中部；所述侧梁（6）为L型梁，一对侧梁（6）分别位于两只检测电极（11）的外部，且一对侧梁（6）的一端分别连接着质量块（12）另一侧的中部，一对侧梁（6）的另一端分别固定连接着压力敏感材料层（1），使一对侧梁（6）分别形成双端固支梁；质量块（12）另一侧的中部连接着主谐振梁（4）的中部；所述主谐振梁（4）的两端分别通过连接梁（13）连接着两侧硅岛（9）的顶部，一侧硅岛（9）和空腔（19）一侧的压力敏感材料层（1）之间设有温度传感器（15）；所述温度传感器（15）为复合梁式温度传感器；
所述谐振式压力传感器的输入信号由所述激励电极（10）、引线电极（14）分别引入，输出信号由所述检测电极（11）引出。


2.根据权利要求1所述一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器，其特征在于：所述复合梁式温度传感器包括悬臂梁（154），悬臂梁（154）的一侧上由下至上依次设有氧化硅层（153）、氮化硅层（152）和铝膜层（151）；所述悬臂梁（154）的另一侧上设有两对压阻模块（156）构成的惠斯通等效电桥，所述惠斯通等效电桥的根部分别设有四个温度传感器电极（157）；所述铝膜层（151）的一端与悬臂梁（154）的一端对齐，铝膜层（151）的另一端紧贴于压阻模块（156）的表面上。


3.根据权利要求1所述一种多参量敏感的谐振式压力传...

【专利技术属性】
技术研发人员：许高斌，陈诚，马渊明，陈兴，余智，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34