一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器制造技术

本发明专利技术提出了一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器。相比传统的梁膜一体化结构，本发明专利技术利用体积压缩敏感原理，避免应力集中，提升耐压强度；通过对双谐振器的微支撑梁差异化设计实现两谐振器具有不同的压力灵敏度，进行双频解算，构建温度原位补偿的压力测量机制，提高高压测量时的精度。提高高压测量时的精度。提高高压测量时的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器


[0001]本专利技术涉及MEMS微传感器领域，尤其涉及一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器。

技术介绍

[0002]海洋环境与目标的感知能力是国家经略海洋能力的具体体现，大量程压力传感器是高精准海洋环境信息感知的重要组成部分。谐振式压力传感器具备精度高、长期稳定性好等独特优势，在压力测量领域具有广泛应用。目前，国外的高压传感器性能已经达到较高水平，GE Druck公司的UNIK 5000系列谐振式压力传感器在70MPa量程下实现综合精度0.04％FS。国内各高校、研究所对谐振式压力传感器关键技术进行探究，大量程的谐振式压力传感器并没有成熟产品。
[0003]现有的谐振式压力传感器通常采用谐振梁和压力敏感膜复合的梁膜一体化结构，在陈德勇、尉洁等于2021
‑7‑
9公开的专利(一种谐振式高压传感器及其制作方法)和申建武、李亨等于2022
‑8‑
9公开的专利(一种大量程高精度硅谐振压力传感器芯片与制备方法)中均使用梁膜一体化结构设计谐振高压传感器。然而，材料本征缺陷和工艺加工缺陷导致整体的耐压强度降低，压力敏感膜结构导致固支边应力集中，二者共同导致敏感芯体在远低于材料强度的压力下发生失效，从而限制了传感器的量程上限；同时，现有的压力传感器芯片在较高压力测量范围内的灵敏度和线性度较低。

技术实现思路

[0004]针对现有梁膜一体化谐振压力传感器量程受限、较高压力测量范围内灵敏度、线性度低的问题，本专利技术提出一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其为具有新型弹性结构的高耐压强度、高灵敏度和线性度的谐振式传感器，利用体积压缩敏感原理，避免应力集中，提升耐压强度；通过对双谐振器的微支撑梁差异化设计实现两谐振器具有不同的压力灵敏度，进行双频解算，构建温度原位补偿的压力测量机制，提高高压测量时的精度。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，包括敏感芯体，所述敏感芯体由上到下依次由衬底层、埋氧层、器件层和硅盖板组成；所述衬底层、埋氧层和器件层共同组成SOI硅片；所述器件层上制备有谐振器、电极和接线端子；所述电极包括驱动电极和检测电极，分别放置在谐振器两侧构成静电激励/电容检测方式；所述接线端子分别为直流偏压接线端子、驱动接线端子和检测接线端子，分别通过硅导线与驱动电极、检测电极和谐振器相连，需要绝缘的结构之间通过第一隔离槽分隔；所述接线端子中心位置所对应的衬底层和埋氧层被刻穿，形成引线孔；引线孔内制作有金属电极。
[0007]进一步地，所述硅盖板和SOI硅片通过键合技术封装在一起，形成全硅结构，减小热应力；所述硅盖板的厚度和衬底层厚度相同，使谐振器位于中性面附近，保证芯体的翘曲
不会对谐振器产生额外应力。
[0008]进一步地，所述硅盖板上制作有空腔，分别与两谐振器对应，提供谐振器的振动空间；所述硅盖板上另制作有第二隔离槽，尺寸和位置对应器件层上的第一隔离槽，保证各电极、接线端子间电气绝缘。
[0009]进一步地，为了提高空腔内部真空度，在硅盖板上制作吸气剂腔，用于沉积吸气剂。
[0010]进一步地，所述谐振器由单谐振梁、微支撑梁和锚点组成，所述锚点分别与衬底层和硅盖板固连，外界压力导致压力传感器的体积压缩，所产生的应力由锚点传递到微支撑梁，再传递到单谐振梁。
[0011]进一步地，所述微支撑梁用于调整单谐振梁上应力和外界压力的比例关系，从而调整压力灵敏度；通过分别调整谐振器两端微支撑梁的角度和宽度，分别形成压力敏感谐振器和温度敏感谐振器。
[0012]进一步地，外界压力作用下压力敏感谐振器的频率f
p
减小，温度敏感谐振梁的频率f
T
基本稳定；在温度变化过程中，两谐振器频率均跟随温度发生变化。压力谐振梁频率f
p
和外界压力P、温度T具有函数关系F1；温度谐振梁频率f
T
和温度T具有函数关系F2。如下所示：
[0013][0014]通过优化几何拓扑关系，保证F1和F2函数矩阵的可逆性，由此推导出压力和温度对频率的关系：
[0015][0016]其中，G1为F1的逆函数，G2为F2的逆函数。
[0017]有益效果：
[0018](1)本专利技术采用体积压缩原理制备敏感芯体弹性结构，与传统的梁膜一体化结构相比，实现更高的耐压强度，有效提升敏感芯体的工作压力范围；
[0019](2)本专利技术采用微梁支撑谐振器结构，通过微支撑梁的几何参数设计，差异化两谐振器的压力灵敏度，用于原位温度补偿，提高高压下的线性度，提高传感器在全量程下的综合精度；
[0020](3)本专利技术采用键合技术实现纯硅敏感芯体，盖板层与衬底层厚度相同，材料机械特性匹配，温度变化时热应力小；谐振器位于中性面上，避免芯片整体翘曲对谐振频率产生影响；上述特点提升传感器压力测量的精度和稳定性。
附图说明
[0021]图1为敏感芯体内部结构示意图；其中，100
‑
SOI硅片；110
‑
器件层；120
‑
埋氧层；130
‑
衬底层；131
‑
引线孔；132
‑
金属电极；200
‑
硅盖板；
[0022]图2为器件层平面结构示意图；其中，111
‑
第一隔离槽；300
‑
谐振器；310
‑
压力敏感谐振器；320
‑
温度敏感谐振器；400
‑
电极；410
‑
驱动电极；420
‑
检测电极；500
‑
接线端子；510
‑
直流偏置接线端子；520
‑
驱动接线端子；530
‑
检测接线端子；
[0023]图3为硅盖板结构示意图；其中，210
‑
空腔；220
‑
吸气剂腔；230
‑
第二隔离槽；
[0024]图4为微梁支撑谐振器三维结构示意图；其中，330
‑
单谐振梁；340
‑
微支撑梁；350
‑
锚点；410
‑
驱动电极；420
‑
检测电极。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0026]本专利技术的一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器包括敏感芯体。所述敏感芯体如图1所示，由上到下依次由正方形的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其特征在于：包括敏感芯体，所述敏感芯体由上到下依次由衬底层、埋氧层、器件层和硅盖板组成；所述衬底层、埋氧层和器件层共同组成SOI硅片；所述器件层上制备有谐振器、电极和接线端子；所述电极包括驱动电极和检测电极，分别放置在谐振器两侧，构成静电激励/电容检测方式；所述接线端子分别为驱动接线端子、检测接线端子和直流偏压接线端子，分别通过硅导线与驱动电极、检测电极和谐振器相连，需要绝缘的结构之间通过第一隔离槽分隔；所述接线端子中心位置所对应的衬底层和埋氧层被刻穿，形成引线孔；引线孔内制作有金属电极。2.根据权利要求1所述的一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其特征在于：所述硅盖板和SOI硅片通过键合技术封装在一起，形成全硅结构，减小热应力；所述硅盖板的厚度和衬底层厚度相同，使谐振器位于中性面附近，保证敏感芯体的翘曲不会对谐振器产生额外应力。3.根据权利要求1所述的一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其特征在于：所述硅盖板上制作有空腔，分别与两谐振器对应，提供谐振器的振动空间；所述硅盖板上另制作有第二隔离槽，尺寸和位置对应器件层上的第一隔离槽，保证各电极、接线端子间电气绝缘。4.根据权利要求3所述的一种基于体积压缩原理的大量程谐振式压力传感器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁毓岚，余宗泽，谢波，陈德勇，王军波，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：