一种谐振式压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种谐振式压力传感器及其制备方法，压力传感器包括碳化硅谐振器，碳化硅谐振器与压力敏感膜通过锚点相连，碳化硅谐振器包括支撑梁，支撑梁通过柔性梁与外部框架连接，支撑梁与固定电极连接并固定在锚点处，质量块结构通过谐振梁与支撑梁连接，耦合梁通过三角梁与质量块结构连接，耦合梁与可动电极连接，质量块结构与另一可动电极连接，固定电极与可动电极均为梳齿电极，并构成两对梳齿电极对，耦合梁上设置有拾振电阻，并连接有金属电极引线，通过三角梁的设计增大了耦合梁应力集中区域，配合拾振电阻的布置，提升了压力传感器的检测精度，基于第三代半导体材料碳化硅的优良特性，同时获得了高温环境下工作的长期稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种谐振式压力传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于MEMS
，具体涉及一种谐振式压力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]压力传感器是一种把非电量转换为电信号的器件，在生产测量中的应用十分广泛，常见于各种生产自动化控制领域，对提高设备精度、安全及质量具有重要作用。压力传感器广泛应用于新型战斗机、空天飞行器、巡航导弹、航空母舰、航空航天地面测试系统和无人机监测等重大工程领域。
[0003]常见的压力传感器有谐振式压力传感器、电容式压力传感器等。电容式压力传感器主要优点在于输入能量低，动态响应快，环境适应性好。但其压力检测范围有限，非线性较为明显，难以应用于大量程的压力检测。相较于电容式压力传感器，谐振式压力传感器的测量灵敏度高、线性度好，加工较为简单。对于谐振式压力传感器而言，常见的激励方式有静电激励、热激励和电磁激励，同时，其检测方法有压阻检测和电容检测等。热激励通常会与谐振器相接触，损坏谐振器表面，降低检测精度。电磁激励需要外置磁场，难以实现传感器微型化。相较于热激励与电磁激励，静电激励传感器具备体积小、检测精度高、寿命长等优点，常用于梳齿式压力传感器的设计中。在检测方式中，电容检测容易受到环境干扰，是一种抗干扰能力较弱的检测方式，而压阻式检测精度高、抗干扰能力强，同时，其输出能力好，信噪比较高。同时常见的压力传感器均采用硅作为其敏感薄膜结构，因此，温度漂移较大，稳定性不足，难以在高温条件下使用。
[0004]基于静电激励、压阻检测的谐振式压力传感器需要较高的品质因子，同时，为获得较高的检测精度，其耦合梁与拾振电阻的设计与布置要求也相对较高。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种耐高温的碳化硅谐振式压力传感器及其制备方法，提高了谐振式压力传感器的灵敏度和检测精度。
[0006]为达到上述目的，一种谐振式压力传感器，包括谐振器，所述谐振器与压力敏感膜通过锚点相连；所述谐振器包括支撑梁，支撑梁与外部框架连接，支撑梁两端分别与第一固定电极和第二固定电极连接，支撑梁通过谐振梁与质量块结构连接，质量块结构一侧通过三角梁与耦合梁一侧连接，耦合梁上连接有拾振梁，所述拾振梁上布置有拾振电阻，耦合梁另一侧与第一可动电极连接，质量块结构另一侧与第二可动电极连接。
[0007]进一步的，三角梁通过连接梁与质量块结构连接。
[0008]进一步的，拾振梁位于耦合梁的内侧壁上，所述侧壁与三角梁的一端连接。
[0009]进一步的，第一固定电极、第二固定电极、第一可动电极、和第二可动电极均为梳齿电极，第一固定电极和第一可动电极构成一对梳齿电极对，第二固定电极和第二可动电极构成另一对梳齿电极对。
[0010]进一步的，支撑梁通过多根柔性梁与外部框架连接。
[0011]进一步的，谐振器上端设置有密封盖板。
[0012]上述的谐振式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1：取晶圆片作为基底，作为压力敏感膜衬底层；
[0014]步骤2：在压力敏感膜衬底层上、下表面分别形成一层二氧化硅绝缘层；
[0015]步骤3：将二氧化硅绝缘层图案化，在压力敏感膜衬底层上刻蚀形成锚点；
[0016]步骤4：在步骤3得到的产物表面形成二氧化硅绝缘层；
[0017]步骤5：在谐振器片上、下表面形成二氧化硅层；并干法刻蚀形成SiO2掩膜层；
[0018]步骤6：在谐振器片上部SiO2掩膜层所覆盖区域形成耦合梁减薄区域；
[0019]步骤7：将步骤6得到的结构和步骤4得到的结构进行真空键合；
[0020]步骤8：将步骤7得到的结构减薄后抛光；
[0021]步骤9：对步骤8得到的结构进行硼离子轻掺杂，形成轻掺杂区，轻掺杂区扩散退火后，形成拾振电阻；
[0022]步骤10：对步骤9得到的结构进行硼离子重掺杂，形成欧姆接触区；
[0023]步骤11：在步骤10得到的结构的整个上表面制作出Ti/Al层，并电极图案化形成金属电极引线及焊盘；
[0024]步骤12：对步骤11得到的结构刻蚀，形成谐振器的支撑梁、谐振梁、第一可动电极、第二可动电极、第一固定电极、第二固定电极、质量块结构、三角梁、耦合梁和拾振梁；
[0025]步骤13：在步骤12形成的结构下部刻蚀出腔体，形成压力敏感膜；
[0026]步骤14：将步骤13的结构进行封装。
[0027]进一步的，步骤1中，晶圆片为碳化硅片；所述步骤5中，谐振器片为碳化硅谐振器片。
[0028]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益技术效果：
[0029]1)本专利技术所述的谐振式压力传感器，在耦合梁与连接梁之间设置三角梁，其中三角梁与连接梁的连接处为三角梁所形成的三角形的底边，相较于耦合梁与连接梁直接连接，三角梁的存在，促使该处的连接宽度增大，有效增加了耦合梁端部的固定约束条件，有利于将应力集中于拾振电阻处，同时，三角梁与耦合梁的交界面更加靠近于拾振电阻，改变了原有的应力分布，增大了耦合梁拾振电阻处的应力集中效果，配合拾振电阻的布置，将有效提高传感器的压阻效应，增强检测信号输出，进而起到提高传感器的品质因子、灵敏度、检测精度的目的。
[0030]2)支撑梁以及柔性梁的设计，起到了增强刚度的作用，因传感器的品质因子与谐振器刚度成正比，从而提高了传感器的品质因子，进而提升了压力传感器的灵敏度与检测精度。
[0031]本专利技术提供的压力传感器的制备方法，采用成熟工艺，制作方法简单、可靠性高、易于批量化生产。
[0032]进一步的，采用碳化硅薄膜取代硅薄膜作为压力承载薄膜，降低了谐振式传感器的温度漂移，提高压力传感器的工作温度，增强了传感器的稳定性。
附图说明
[0033]图1为一种耐高温的碳化硅谐振式压力传感器整体示意图；
[0034]图2为图1的纵剖图；
[0035]图3为图1的俯视图；
[0036]图4为耦合梁及三角梁的局部放大图；
[0037]图5为本专利技术的制备工艺流程示意图。
[0038]附图中：1、谐振器，111、谐振器片，2、锚点，3、支撑梁，4、柔性梁，5、谐振梁，61、第一可动电极，62、第二可动电极，71、第一固定电极，72、第二固定电极，8、质量块结构，9、三角梁，10、耦合梁，11、拾振电阻，112、轻掺杂区，113、欧姆接触区，114、减薄区域，12、金属电极引线，121、SiO2掩膜层，13、压力敏感膜，131、压力敏感膜衬底层，132、二氧化硅绝缘层，14、玻璃导压板，15、密封盖，16、连接梁，17、拾振梁。
具体实施方式
[0039]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0040]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐振式压力传感器，其特征在于，包括谐振器(1)，所述谐振器(1)与压力敏感膜(13)通过锚点(2)相连；所述谐振器(1)包括支撑梁(3)，支撑梁(3)与外部框架连接，支撑梁(3)两端分别与第一固定电极(71)和第二固定电极(72)连接，支撑梁(3)通过谐振梁(5)与质量块结构(8)连接，质量块结构(8)一侧通过三角梁(9)与耦合梁(10)一侧连接，耦合梁(10)上连接有拾振梁(17)，所述拾振梁(17)上布置有拾振电阻(11)，耦合梁(10)另一侧与第一可动电极(61)连接，质量块结构(8)另一侧与第二可动电极(62)连接。2.根据权利要求1所述的一种谐振式压力传感器，其特征在于，所述三角梁(9)通过连接梁(16)与质量块结构(8)连接。3.根据权利要求1所述的一种谐振式压力传感器，其特征在于，所述拾振梁(17)位于耦合梁(10)的内侧壁上，所述侧壁与三角梁(9)的一端连接。4.根据权利要求1所述的一种谐振式压力传感器，其特征在于，所述第一固定电极(71)、第二固定电极(72)、第一可动电极(61)、和第二可动电极(62)均为梳齿电极，第一固定电极(71)和第一可动电极(61)构成一对梳齿电极对，第二固定电极(72)和第二可动电极(62)构成另一对梳齿电极对。5.根据权利要求1所述的一种谐振式压力传感器，其特征在于，所述支撑梁(3)通过多根柔性梁(4)与外部框架连接。6.根据权利要求1所述的一种谐振式压力传感器，其特征在于，所述谐振器(1)上端设置有密封盖板(15)。7.权利要求1所述的谐振式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王淞立，方续东，蒋庄德，李杰，高博楠，方子艳，孙昊，赵立波，田边，吴晨，邓武彬，吴俊侠，康强，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：