CN102374909A - 基于微机械的电磁激励谐振式压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于微机械的电磁激励谐振式压力传感器，涉及微机械传感技术，传感器上有三组谐振器，谐振器由压力膜上的锚点固支，并置于框架的对角线上，谐振器上有电极。加有激励信号的谐振器在外加磁场的作用下由磁场力激振，当外界有待测压力时，压力膜上产生应变，应变通过锚点传递到谐振器上改变谐振器的刚度，从而改变谐振器的固有频率，检测拾振电极输出信号的频率即可测量外界待测压力的大小。传感器有两种封装方式，都采用了热膨胀系数与单晶硅基本相同的陶瓷环进行应力隔离。本发明传感器的谐振器工作于水平振动模态；用差动输出抑制了温度等外界因素引起的漂移，提高了灵敏度；采用浓硼扩散自停止腐蚀技术释放谐振器，工艺简单，一致性好。

Description

基于微机械的电磁激励谐振式压力传感器

技术领域

本发明属于微机械传感技术领域，涉及一种基于微电子机械技术(MEMS)的电磁激励谐振梁式压力传感器。

背景技术

谐振梁式压力传感器都是包含压力敏感膜和谐振梁两部分，当外界待测压力变化时压力敏感膜会产生应变，将应变传递给谐振器会改变谐振器的刚度，从而改变谐振器的频率，检测谐振器的频率变化即可得到外界待测压力的大小。

利用MEMS技术制作的微结构谐振梁式压力传感器，到目前为止主要采用单晶硅和多晶硅材料制作而成。微机械硅谐振式压力传感器主要用于高精度压力的测量，由于其具有频率输出，而易于进行数字化处理；采用MEMS工艺，可以使传感器实现微型化、集成化、从而易于进行批量生产。

采用单晶硅材料制作压力传感器的谐振梁，多采用谐振梁和压力膜分开制作，最后通过键合技术使其成为一体。其缺点是，键合容易引入键合应力，会降低传感器的稳定性；另外，键合工艺过程较为复杂。

采用多晶硅材料制作压力传感器的谐振梁，多采用表面加工工艺在压力膜表面生长多晶硅进行谐振梁的加工。其缺点是，谐振梁易与压力膜产生机械耦合，并且表面加工工艺过程十分复杂。

另外，当外界环境变化(除气压变化外)，谐振式压力传感器也会产生输出，即产生漂移，从而影响传感器的稳定性。

发明内容

本发明的目的是公开一种基于微机械的电磁激励谐振式压力传感器，以解决现有技术存在的上述问题，提高传感器的性能。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于微机械的电磁激励谐振式压力传感器，其包括锚点(2)、谐振器(3)、压力敏感膜(4)和框架(5)，其中：

在框架(5)内侧壁中部水平设有压力敏感膜(4)，在压力敏感膜(4)的一对角线上，位于压力敏感膜(4)上表面中部设有二个锚点(2)，二锚点(2)上端和相应的框架(5)对角线的端点上端固接有多组谐振器(3)；

多组谐振器(3)首尾相接的直线设置，跨置于与框架(5)、锚点(2)、锚点(2)、框架(5)之间，与压力敏感膜(4)的上述一对角线走向重合；

多组谐振器(3)的驱动端与驱动电路电连接，另一拾振端，输出谐振器的谐振频率，与检测电路电连接。

所述的压力传感器，其所述多组谐振器(3)为三组，结构相同，为二梁或四梁音叉结构，呈H状或双H平行状；谐振器(3)上表面固设有电极，电极一端为驱动端与驱动电路电连接，另一端为拾振端，与检测电路电连接。

所述的压力传感器，其所述四梁音叉结构的谐振器(3)，其上表面固设的电极呈U形，两端位于同一侧。

所述的压力传感器，其所述锚点(2)、压力敏感膜(4)材料为单晶硅；谐振器(3)及框架(5)为带绝缘介质层的浓硼扩散硅(101)；绝缘介质层为氧化硅(102)和氮化硅(103)组成的双层绝缘材料。

一种所述的压力传感器的封装方法，其为金属管壳真空封装法，包括步骤：

a)用环氧胶粘剂在带有管针(14)的管座(10)上粘接磁铁(12)和陶瓷环(13)；

b)在陶瓷环(13)上表面用玻璃焊料焊接或胶粘剂粘接的方法，与电磁激励谐振式压力传感器芯片(11)下表面固接；

c)用金丝球压焊法，用金丝(15)将芯片(11)上的电极与管针(14)连接；

d)用管帽(16)盖上管座(10)上的构件，采用储能焊或环氧粘接剂对相接处进行密封固接；

e)从管帽(16)的尾管处把管帽腔室(17)抽成真空，采用冷压技术把管帽(16)尾管处密封，从而整个传感器芯片(11)就被密封于真空腔(17)中，得成品。

一种所述的压力传感器的封装方法，其为硅盖真空封装法，包括步骤：

a)用环氧胶粘剂在带有管针(14)的管座(10)上粘接磁铁(12)和陶瓷环(13)；

b)在陶瓷环(13)上表面用玻璃焊料焊接或胶粘剂粘接的方法，与电磁激励谐振式压力传感器芯片(11)下表面固接；

c)用金丝球压焊法，用金丝(15)将芯片(11)上的电极与管针(14)连接；

d)用硅盖(18)盖在电磁激励谐振式压力传感器芯片(11)上，在真空腔室中用键合或粘合方法，将硅盖(18)下周缘与框架(5)上表面固接为一体，把谐振器(3)密封于硅盖(18)的密封腔(17)中；

e)再在硅盖(18)的上方盖上无尾管的管帽(16)，管帽(16)罩住管座(10)上的构件，采用储能焊或环氧粘接剂对相接处进行密封固接，即得成品。

所述的压力传感器的封装方法，其两种封装方法都采用了热膨胀系数与单晶硅材料相同的陶瓷材料以隔离热应力。

本发明的优点在于：

扩散硅材料制作谐振器：梁膜一体，避免了键合工艺过程，从而避免了键合应力的引入；

浓硼扩散自停止腐蚀技术释放谐振器：工艺简单，一致性好；

三组梁的结构设计(其中一组边上梁为备用梁)：采用两组梁进行差分输出，降低温度等环境因素引起的漂移；

谐振器斜对角放置：便于各向异性腐蚀时释放谐振器；

谐振器结构采用了音叉式设计：提高谐振器的机械品质因数。

附图说明

图1是电磁激励谐振式压力传感器芯片顶视图；

图2是电磁激励谐振式压力传感器A-A’横截面图；

图3是电磁激励谐振式压力传感器的两种谐振器图；

图4是电磁激励谐振式压力传感器的两种谐振器上的为进行激振和拾振而设计的电极分布图；

图5是电磁激励谐振式压力传感器的制作工艺流程图；

图6(a)是电磁激励谐振式压力传感器的金属管壳封装步骤示意图；

图6(b)是电磁激励谐振式压力传感器的硅盖真空封装步骤示意图；

图7是电磁激励谐振式压力传感器上键合有硅盖的剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细的说明。

如图1是本发明基于微电子机械技术(MEMS)的电磁激励谐振式压力传感器的实施例，包括三组相同的谐振器3、压力敏感膜4、锚点2及框架5，传感器芯片采用MEMS工艺在单晶硅衬底1上制作而成。

谐振器材料是带绝缘介质的浓硼扩散硅。绝缘介质材料采用氮化硅或二氧化硅。由于单晶硅的湿法腐蚀中所表现出的各向异性，三组谐振器3采用了呈45°斜对角分布于方形传感器芯片的对角线上的方式，如图1，从而易于谐振器的释放；谐振器分别由锚点2和框架5支撑，如图2。

如图2，当外界有待测压力时，压力敏感膜4会产生应变，通过锚点2传递到谐振器3上，使谐振器的刚度改变，从而改变谐振器的固有频率。通过检测谐振器的固有频率变化，就可以测得外界待测压力的大小。

如图3，谐振器设计了两种音叉式梁结构，两根梁组成的”H”型简单双联音叉结构301和由两个”H”型梁组成的四梁音叉结构302，音叉结构谐振器，使振动能量进行耦合，降低损耗，从而提高传感器的机械品质因数。

如图4，谐振器上溅射有金属电极，当谐振器置于垂直磁场中时，在谐振器电极3011的驱动端加驱动信号，在电磁力的作用下激励谐振器振动，在另一端拾振，输出谐振器的谐振频率。对于四梁音叉结构的谐振器，在驱动端加激励信号，由于电极的“U”形设计，使得两组“H”梁受到反方向的电磁力，从而抑制谐振器的同相水平振动模态，从而使传感器稳定地谐振于反相水平振动模态。

以谐振器301式传感器芯片为例，说明本发明的电磁激励微机械谐振式压力传感器的制作工艺流程，如图5：

1)对单晶硅片进行掺杂，在表面生长浓硼扩散层101；在扩散硅表面生长绝缘层(二氧化硅102和氮化硅103)；

2)光刻背面开出窗口，采用反应离子刻蚀背面的氧化层和氮化层；采用反应离子深刻蚀刻蚀扩散硅层；

3)采用lift-off工艺制备正面电极。在正面光刻开出电极窗口；溅射金属膜105；去除光刻胶104，得到电极；

4)光刻正面开出窗口，采用反应离子刻蚀背面的氧化层和氮化层；采用反应离子深刻蚀刻蚀扩散硅层；

5)采用浓硼扩散自停止腐蚀工艺释放谐振器，同时减薄压力敏感膜。

本发明基于微电子机械技术(MEMS)的电磁激励谐振式压力传感器的封装采用了两种封装方式：金属管壳封装和硅盖真空封装。

见图6(a)，金属管壳封装步骤为：

在带有管针14的管座10上安装磁铁12和陶瓷环13，采用环氧胶粘剂粘接；在陶瓷环13上安装本发明基于微电子机械技术(MEMS)的电磁激励谐振式压力传感器芯片11，可采用玻璃焊料焊接或稀薄的胶粘剂粘接；采用金丝球压焊，用金丝15连接芯片上的电极与管针14；盖上管帽16，采用储能焊或环氧粘接剂进行密封；从管帽16的尾管处把管帽腔室17抽成真空，采用冷压技术把管帽16尾管处密封，从而整个传感器芯片11就被密封于真空腔17中，得成品。

见图6(b)，硅盖真空封装步骤为：

首先在真空腔室中把硅盖18与本发明基于微电子机械技术(MEMS)的电磁激励谐振式压力传感器芯片11键合(或粘合)成为一体，把谐振器密封于密封腔17中；在带有管针14的管座10上安装磁铁12和陶瓷环13，采用环氧胶粘剂粘接；在陶瓷环13上安装芯片11与硅盖18键合的整体，可采用玻璃焊料焊接或稀薄的胶粘剂粘接；采用金丝球压焊，用金丝15连接芯片11上的电极与管针14；盖上无尾管的管帽16，采用储能焊或环氧粘接剂进行密封后，即得成品。图7为图6(b)中本发明基于微电子机械技术(MEMS)的电磁激励谐振式压力传感器芯片11上键合有硅盖18的剖面示意图。

Claims (7)

1.一种基于微机械的电磁激励谐振式压力传感器，其特征在于，包括锚点(2)、谐振器(3)、压力敏感膜(4)和框架(5)，其中：

在框架(5)内侧壁中部水平设有压力敏感膜(4)，在压力敏感膜(4)的一对角线上，位于压力敏感膜(4)上表面中部设有二个锚点(2)，二锚点(2)上端和相应的框架(5)对角线的端点上端固接有多组谐振器(3)；

多组谐振器(3)首尾相接的直线设置，跨置于与框架(5)、锚点(2)、锚点(2)、框架(5)之间，与压力敏感膜(4)的上述一对角线走向重合；

多组谐振器(3)的驱动端与驱动电路电连接，另一拾振端，输出谐振器的谐振频率，与检测电路电连接。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述多组谐振器(3)为三组，结构相同，为二梁或四梁音叉结构，呈H状或双H平行状；谐振器(3)上表面同设有电极，电极一端为驱动端与驱动电路电连接，另一端为拾振端，与检测电路电连接。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：所述四梁音叉结构的谐振器(3)，其上表面固设的电极呈U形，两端位于同一侧。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述锚点(2)、压力敏感膜(4)材料为单晶硅；谐振器(3)及框架(5)为带绝缘介质层的浓硼扩散硅(101)；绝缘介质层为氧化硅(102)和氮化硅(103)组成的双层绝缘材料。

5.一种根据权利要求1所述的压力传感器的封装方法，其特征在于：为金属管壳真空封装法，包括步骤：

a)用环氧胶粘剂在带有管针(14)的管座(10)上粘接磁铁(12)和陶瓷环(13)；

b)在陶瓷环(13)上表面用玻璃焊料焊接或胶粘剂粘接的方法，与电磁激励谐振式压力传感器芯片(11)下表面固接；

c)用金丝球压焊法，用金丝(15)将芯片(11)上的电极与管针(14)连接；

d)用管帽(16)盖上管座(10)上的构件，采用储能焊或环氧粘接剂对相接处进行密封固接；

e)从管帽(16)的尾管处把管帽腔室(17)抽成真空，采用冷压技术把管帽(16)尾管处密封，从而整个传感器芯片(11)就被密封于真空腔(17)中，得成品。

6.一种根据权利要求1所述的压力传感器的封装方法，其特征在于：为硅盖真空封装法，包括步骤：

a)用环氧胶粘剂在带有管针(14)的管座(10)上粘接磁铁(12)和陶瓷环(13)；

b)在陶瓷环(13)上表面用玻璃焊料焊接或胶粘剂粘接的方法，与电磁激励谐振式压力传感器芯片(11)下表面固接；

c)用金丝球压焊法，用金丝(15)将芯片(11)上的电极与管针(14)连接；

d)用硅盖(18)盖在电磁激励谐振式压力传感器芯片(11)上，在真空腔室中用键合或粘合方法，将硅盖(18)下周缘与框架(5)上表面固接为一体，把谐振器(3)密封于硅盖(18)的密封腔(17)中；

e)再在硅盖(18)的上方盖上无尾管的管帽(16)，管帽(16)罩住管座(10)上的构件，采用储能焊或环氧粘接剂对相接处进行密封固接，即得成品。

7.根据权利要求5或6所述的压力传感器的封装方法，其特征在于，两种封装方法都采用了热膨胀系数与单晶硅材料相同的陶瓷材料以隔离热应力。

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