一种静压补偿硅谐振微差压传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种静压补偿硅谐振微差压传感器及其制备方法，传感器包括复合膜片，复合膜片包括由上至下依次设置的封装层、谐振器层、压力敏感膜层，谐振器层包括压敏电阻和两个谐振器，两个谐振器分别位于敏感膜层的中间区域和边缘区域；压敏电阻位于压力敏感膜层边缘且压敏电阻与封装层相接，压敏电阻用于检测静压大小。本发明专利技术为实现差压测量，通过压力膜片、谐振器层、封装层共同组成埋层谐振器复合膜片，两面的压力差使得膜片变形，并将应力传递给埋在膜片内部的谐振器，从而转化为谐振器频率变化。通过硬件或者软件补偿静压引起的谐振器频率偏移，从而拓展传感器的测量范围和量程比并最终提高传感器测量精度。程比并最终提高传感器测量精度。程比并最终提高传感器测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种静压补偿硅谐振微差压传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及MEMS微传感器领域，尤其涉及一种静压补偿硅谐振微差压传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]无人机、高超飞行器等技术的发展对传感器的精度提出了更高的要求。当飞行器工作在低速、低气压等环境下时需对其飞行参数进行精确测量以满足高精度姿态控制的需求。硅谐振压力传感器因其稳定性好，测量精度高，在航空航天领域具有广泛应用。然而，硅谐振压力传感器复杂的谐振器结构以及真空封装的特殊要求，使得其设计和制备难度极大。目前国外所研制的差压传感器已经有了相当高的精度水平，同时在静压补偿方面具有优势。如日本横河公司所研制基于表面硅工艺的差压传感器可以在12MPa的静压下实现0.2％FS的精度，而国内的有关研究则相对较少，缺乏具有自主知识产权的高精度成熟产品。
[0003]在硅谐振微差压传感器设计方面，由于谐振器在具有一定的结构尺寸要求的同时还需要满足真空封装条件，因此产生的较厚的封装结构限制了传感器灵敏度的提升。此外，传感器实际工作的环境静压变化较大，以无人机、浮空器等飞行器为例，其工作压力可以从100kPa变化到2kPa以下。而谐振器工作所需的空腔结构又导致谐振器具有一定的静压敏感度，因此在复杂的工作环境下难以实现高精度的要求。
[0004]在制备工艺上，硅谐振微差压传感器所需要的制备工艺较为复杂，难以同时满足需求。为提高差压传感器灵敏度，其采用自对准选择性硅外延生长工艺对谐振器进行局部封装，该方法存在谐振器释放粘连、释放侧钻控制精度差等问题，但制备难度大。CN461438A、CN579147B、CN114993520A等引证技术采用玻璃或硅对谐振器进行密封封装，封装层厚度达到了10μm以上，导致谐振器难以靠近表面，灵敏度提升有限，难以满足微差压测量要求。
[0005]因此，针对硅谐振微差压的应用需求，有必要设计一种新的具有静压补偿能力的高灵敏微差压传感器并对其制备方法展开研究。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种静压补偿硅谐振微差压传感器及其制备方法，以解决上述技术问题。
[0007]本专利技术第一方面公开了一种静压补偿硅谐振微差压传感器，包括复合膜片，复合膜片包括由上至下依次设置的封装层、谐振器层、压力敏感膜层，谐振器层包括压敏电阻和两个谐振器，两个谐振器分别位于敏感膜层的中间区域和边缘区域；压敏电阻位于压力敏感膜层边缘且压敏电阻与封装层相接，压敏电阻用于检测静压大小。
[0008]可选地，谐振器层包括填充结构，填充结构将谐振器、压敏电阻包围并与二者间隔设置，填充结构的上下两侧分别与封装层和压力敏感膜层连接实现对谐振器的密封。
[0009]可选地，谐振器位于靠近复合膜片上表面的一侧。
[0010]可选地，压力敏感膜层包括绝缘层，绝缘层与谐振器层相接，绝缘层的制造材料包括氧化硅；谐振器的可动部位悬空。
[0011]可选地，压力敏感膜层包括压力敏感膜，压力敏感膜位于绝缘层下方的薄膜区域，薄膜区域与谐振器和压敏电阻所在区域对应，压力敏感膜用于受压形变将应力传递给谐振器。
[0012]可选地，封装层包括氧化层，形成于封装层下表面；氧化层包括两个谐振器凹槽；谐振器凹槽与谐振器层的谐振梁对应，用于提供谐振梁振动空间。
[0013]可选地，氧化层还包括吸气剂凹槽，吸气剂凹槽内装有吸气剂，吸气剂凹槽与谐振器层填充结构对应并与谐振器凹槽连通。
[0014]可选地，封装层包括支撑层，支撑层形成于封装层上表面，用于支撑氧化层；支撑层在复合膜片对应区域为镂空结构，提供复合膜片变形所需空间；支撑层在谐振器层的引线电极对应位置具有引线通孔，用于引线互联。
[0015]可选地，传感器还包括：上封盖层，位于封装层之上，用于传导并密封待测气压，其上有导气孔和导气槽，并与支撑层的镂空区域连通；下封盖层，位于压力敏感膜层之上，用于传导并密封待测气压，包括：导气槽、第一通气孔和第二通气孔；导气槽与压力敏感膜所在区域连通；第一通气孔贯穿下封盖层，并与导气槽连通；第二通气孔贯穿下封盖层、压力敏感膜层、谐振器层和封装层，并与上封盖层的导气孔对应。
[0016]本专利技术第二方面提供了一种静压补偿硅谐振微差压传感器制备方法，包括如下步骤：
[0017]S1、利用干法刻蚀SOI片，在SOI基底层形成压力敏感膜，并在SOI器件层刻蚀形成谐振器层结构；
[0018]S2、对谐振器释放，形成谐振器可动部件，形成谐振器层；
[0019]S3、将第一硅片双面氧化，氧化厚度3～5μm，对氧化硅层图形化并腐蚀，形成谐振器凹槽和吸气剂凹槽；
[0020]S4、在氧化层表面图形化Cr/Au层，并在吸气剂凹槽内沉积吸气剂；
[0021]S5、将氧化硅片与SOI在真空条件下键合；
[0022]S6、利用干法/湿法刻蚀在支撑层压力敏感膜和引线电极对应区域进行刻蚀/腐蚀，保留氧化硅薄层，形成埋层谐振器复合膜片；
[0023]S7、在上封盖层导气孔位置对键合片进行钻孔；
[0024]S8、将第二硅片双面氧化，对氧化层图形化，通过干法刻蚀技术形成导气孔和导气槽，并对导气孔进行钻孔，制备出下封盖层；
[0025]S9、下封盖层表面沉积一层Cr/Au金属，并与SOI基底层键合，对压力敏感膜进行密封封装；
[0026]S10、将第三硅片双面氧化，对氧化硅层图形化，通过干法刻蚀技术形成导气孔和导气槽，制备出上封盖层；
[0027]S11、上封盖层表面沉积一层Cr/Au金属，并与键合片的封装层键合，对封装层进行密封，形成微差压传感器芯片。
[0028]综上，本专利技术提出了一种具有高灵敏度的谐振式微差压传感器结构。为实现差压
测量，通过压力膜片、谐振器层、封装层共同组成埋层谐振器复合膜片，两面的压力差使得膜片变形，并将应力传递给埋在膜片内部的谐振器，从而转化为谐振器频率变化。为降低静压对谐振器频率的影响，传感器设置了压敏电阻，通过硬件或者软件补偿静压引起的频率偏移，从而拓展传感器的测量范围并提高测量精度。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1为根据本专利技术实施例的传感器堆叠结构示意图；
[0031]图2为根据本专利技术实施例的谐振器层结构示意图
[0032]图3为根据本专利技术实施例的埋层谐振器复合膜片结构局部示意图
[0033]图4为根据本专利技术实施例的静压补偿硅谐振微差压传感器制备方法工艺流程图。
[0034]图中：100
‑
上封盖层；210
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封装层；211
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支撑层；212
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种静压补偿硅谐振微差压传感器，包括复合膜片(240)，所述复合膜片(240)包括由上至下依次设置的封装层(210)、谐振器层(220)、压力敏感膜层(230)，其特征在于：所述谐振器层(220)包括压敏电阻(222)和两个谐振器(221)，两个所述谐振器(221)分别位于敏感膜层(230)的中间区域和边缘区域；所述压敏电阻(222)位于所述压力敏感膜层(230)边缘且所述压敏电阻(222)与所述封装层(210)相接，所述压敏电阻用于检测静压大小。2.根据权利要求1所述的静压补偿硅谐振微差压传感器，其特征在于，所述谐振器层(220)包括填充结构(223)，所述填充结构(223)将所述谐振器(221)、所述压敏电阻(222)包围并与二者间隔设置，所述填充结构(223)的上下两侧分别与封装层(210)和压力敏感膜层(230)连接实现对谐振器的密封。3.根据权利要求1或2所述的静压补偿硅谐振微差压传感器，其特征在于，所述谐振器(221)位于靠近所述复合膜片(240)上表面的一侧。4.根据权利要求1或2所述的静压补偿硅谐振微差压传感器，其特征在于，所述压力敏感膜层(230)包括绝缘层(233)，所述绝缘层(233)与所述谐振器层(220)相接，所述绝缘层(233)的制造材料包括氧化硅；所述谐振器(221)的可动部位悬空。5.根据权利要求4所述的静压补偿硅谐振微差压传感器，其特征在于，所述压力敏感膜层(230)包括压力敏感膜(232)，所述压力敏感膜(232)位于所述绝缘层(233)下方的薄膜区域，所述薄膜区域与所述谐振器(221)和压敏电阻(222)所在区域对应，所述压力敏感膜(232)用于受压形变将应力传递给所述谐振器(221)。6.根据权利要求5所述的静压补偿硅谐振微差压传感器，其特征在于，所述封装层(210)包括氧化层(212)，形成于封装层(210)下表面；所述氧化层(212)包括两个谐振器凹槽；所述谐振器凹槽与所述谐振器层(220)的谐振梁对应，用于提供谐振梁振动空间。7.根据权利要求6所述的静压补偿硅谐振微差压传感器，其特征在于，所述氧化层(212)还包括吸气剂凹槽，所述吸气剂凹槽内装有吸气剂，所述吸气剂凹槽与谐振器层填充结构对应并与谐振器凹槽连通。8.根据权利要求7所述的一种静压补偿硅谐振微差压传感器，其特征在于，所述封装层(210)包括支撑层(211)，所述支撑层(211)形成于封装层(210)上表面，用于支撑所...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢波，李星雨，鲁毓岚，姚佳辉，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：