CN112611501B - 一种谐振式差压传感器和补偿方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种谐振式差压传感器，包括：盖板和本体，二者之间通过阳极键合在一起，器件层上制作有第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器，衬底层上制作有第一压力敏感膜，第一谐振器位于第一压力敏感膜的中央位置，第二谐振器位于第一压力敏感膜的边缘区域，第三谐振器位于器件层上的第一压力敏感膜区域外的任意一侧边框上，玻璃层上制作有吸气剂槽，吸气剂槽与第三谐振器分别位于第一压力敏感膜两侧的边框上。本公开的谐振式差压传感器无需外部温度敏感元件即可进行温度补偿，克服温度场分布不匀和温度测量不准确的问题，无需外部压力敏感元件即可实现静压补偿，降低了补偿成本，本公开利用键合工艺实现真空封装，工艺流程简单。

Description

一种谐振式差压传感器和补偿方法

技术领域

本公开涉及硅谐振压力传感器领域，尤其涉及一种具备温度补偿与静压补偿的硅谐振差压传感器及其补偿方法。

背景技术

谐振式MEMS差压传感器广泛地应用在石油勘探、工业控制、航空航天等领域，具有精度高、长期稳定性好、数字化输出、抗干扰能力强等优良特性。

对于谐振式差压传感器，温度影响硅材料的杨氏模量以及温度的改变会导致几何结构的变形，这两方面的影响都将改变谐振器的谐振频率，因此谐振式差压传感器的工作环境温度会对其差压测量造成误差。除此之外，谐振式差压传感器往往工作在大静压、小差压的环境下，静压会导致受帽保护的隔膜的截面变形，该变形将会使谐振梁的谐振频率发生偏移，因此静压同样会对差压测量产生一定的误差。

在现有谐振式差压传感器真空封装技术中，一种是采用选择性外延生长和牺牲层选择性刻蚀实现对谐振器的真空密封，该工艺复杂缺乏灵活性，实现起来难度较大；一种是采用LPCVD沉积多晶硅和牺牲层释放等工艺实现对多晶硅双端固支梁的真空密封，但是多晶硅在材料老化、滞后、疲劳、蠕变、屈服等方面性能都不如单晶硅。

本公开采用阳极键合工艺实现圆片级真空封装，具备工艺简单，封装强度高等优点。本公开提供一个集成三个谐振器的谐振式差压传感器，通过三个谐振器的频率输出实现温度补偿和静压补偿。

公开内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术的上述不足，本公开的主要目的在于提供一种制作工艺流程简单的谐振式差压传感器，以减小谐振式差压传感器在差压测量时存在的温度误差和静压误差，提高差压测量的精度。

(二)技术方案

为了实现上述目的，根据本公开的一个方面，提供了一种谐振式差压传感器，包括：

本体100和盖板200；

盖板200和本体100之间通过阳极键合在一起；

本体100包括器件层110和衬底层130；

器件层110上制作有第一谐振器140、第二谐振器150和第三谐振器160；

衬底层130上制作有第一压力敏感膜132；

第一谐振器140位于第一压力敏感膜132的中央位置，第二谐振器150位于第一压力敏感膜132的边缘区域，第三谐振器160位于器件层110上的第一压力敏感膜132区域外的任意一侧边框上；

盖板200包括玻璃层210和硅层220；

玻璃层210和硅层220之间通过阳极键合在一起；

玻璃层210上制作有吸气剂槽211；

吸气剂槽211与第三谐振器160分别位于第一压力敏感膜132两侧的边框上。

优选地，本体100还包括埋氧层120，埋氧层120位于器件层110和衬底层130之间。

优选地，器件层110上制作有电极170，衬底层130上制作有引线孔131，引线孔131是刻蚀到埋氧层120的硅通孔。

优选地，玻璃层210上制作有第三谐振腔212、第二谐振腔213和第一谐振腔214，硅层220上刻蚀有第二压力敏感膜221。

优选地，第二谐振器150与第一谐振器140的输出大小一致，方向相反。

优选地，第一谐振器140、第二谐振器150和第三谐振器160具有相同的结构尺寸。

优选地，引线孔131的位置与电极170的位置一一对应。

优选地，第二压力敏感膜221位于硅层220的中央位置，与第一压力敏感膜132的位置相对应。

优选地，第一谐振器140、第二谐振器150、第三谐振器160的位置分别与第一谐振腔214、第二谐振腔213、第三谐振腔212的位置一一对应。

另一方面，本公开还提供了一种谐振式差压传感器的补偿方法，利用上述的谐振式差压传感器，该方法包括：

在谐振式差压传感器的温度工作范围内选定m个温度标定点，在谐振式差压传感器的静压工作范围内选取n个静压标定点，在谐振式差压传感器的差压工作范围内选取k个差压工作点，得到m×n×k个工作点，每个工作点包括一个温度标定点、一个静压标定点和一个差压标定点；

测量第一谐振器140、第二谐振器150、第三谐振器160处于每个工作点的输出频率，共得到m×n×k组输出数据，每组输出数据包括在同一个工作点下，一个第一谐振器140的输出频率、一个第二谐振器150的输出频率、一个第三谐振器160的输出频率；

对m×n×k组输出频率进行三元多项式拟合，得到温度补偿和静压补偿后的差压函数。

(三)有益效果

本公开通过在SOI器件层上构建三个谐振器，三个谐振器同时对差压，静压，温度敏感，利用三个谐振器的输出可以实现谐振式差压传感器的温度补偿以及静压补偿。

本公开提供的谐振式差压传感器无需外部温度敏感元件即可进行温度补偿，克服温度场分布不匀和温度测量不准确的问题，无需外部压力敏感元件即可实现静压补偿，降低了补偿成本。

本公开利用键合工艺实现真空封装与现有技术相比工艺流程更简单。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本公开中的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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附图。

图1为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器的三维结构图；

图2为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器背面结构示意图；

图3为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器封装盖板上谐振腔和吸气剂槽的示意图；

图4为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器封装盖板上第二压力敏感膜的示意图；

图5为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器温度补偿和静压补偿的示意图；

图6为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器实施温度补偿和静压补偿的差压测量方式；

图7为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器的制作方法。

附图标记说明

100传感器本体 110器件层 120埋氧层

130衬底层 131引线孔 132第一压力敏感膜

140第一谐振器 150第二谐振器 160第三谐振器

170电极 190电气连接结构 200盖板

210玻璃层 220硅层 211吸气剂槽

212第三谐振腔 213第二谐振腔 214第一谐振腔

221第二压力敏感膜

具体实施方式

为使本公开的目的、特征、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开的保护范围。

本公开一实施例提供一种谐振式差压传感器的结构如图1、2、3、4所示，该谐振式差压传感器包括：

本体100和盖板200，盖板200和本体100之间通过阳极键合在一起，形成真空封装。

本体100包括器件层110、埋氧层120和衬底层130。

埋氧层120作为绝缘层实现器件层110和衬底层130之间的电气隔离，另一方面埋氧层120还作为压力敏感膜132与第一谐振器140、第二谐振器150和第三谐振器160之间的锚点起到应力传递的作用，将应力传递给谐振器，谐振器的固有频率因此发生改变。

器件层110上制作有电极170、第一谐振器140、第二谐振器150和第三谐振器160。

衬底层130上制作有第一压力敏感膜132、引线孔131，引线孔131是刻蚀到埋氧层120的硅通孔。

引线孔131的位置与电极170的位置一一对应。

第一谐振器140、第二谐振器150和第三谐振器160具有相同的结构尺寸。第一谐振器140和第二谐振器150分别位于压力敏感膜的中间和边缘区域，第一谐振器140和第二谐振器150的频率输出使得谐振式差压传感器在差压测量的基础之上同时可以进行温度补偿。此外第二谐振器150与第一谐振器140有大小一致，方向相反的输出，可以增大差压测量的灵敏度。

第三谐振器160位于器件层110上的第一压力敏感膜132区域外的任意一侧边框上，位于边框区域的第三谐振器160相比第一谐振器140和第二谐振器150对静压更加敏感，那么第三谐振器160的频率输出则可以使谐振式差压传感器在差压测量、温度补偿的基础上同时进行静压补偿。

盖板200包括玻璃层210和硅层220。

玻璃层210和硅层220之间通过阳极键合在一起。

玻璃层210上制作有吸气剂槽211、第三谐振腔212、第二谐振腔213和第一谐振腔214。

第一谐振器140、第二谐振器150、第三谐振器160的位置分别与第一谐振腔214、第二谐振腔213、第三谐振腔212的位置一一对应。

吸气剂槽211与第三谐振器160分别位于第一压力敏感膜132两侧的边框上，吸气剂槽211用于溅射吸气剂。

硅层220上刻蚀有第二压力敏感膜221，第二压力敏感膜221位于硅层220的中央位置，与第一压力敏感膜132的位置相对应。

图2为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器背面结构示意图，如图2所示，在传感器的衬底层130刻蚀一定的深度形成第一压力敏感膜132，第一压力敏感膜132与差压测量中的其中一路压力P1直接作用，进而产生形变和应力。在边框区域刻蚀到埋氧层120形成引线孔131，使器件层110上的电极通过引线孔131与外界形成电学连接。

图3为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器封装盖板上谐振腔和吸气剂槽的示意图，如图3所示，通过刻蚀的方法在玻璃层210上形成一定深度的图形，其中包括用于提供谐振器振动空间的第一谐振腔214、第二谐振腔213、第三谐振腔212和用于溅射吸气剂维持腔内真空环境的吸气剂槽211。制作第一谐振腔214、第二谐振腔213、第三谐振腔212可以避免与谐振器形成物理接触影响谐振器的振动。吸气剂槽211用于溅射吸气剂保持腔内的真空环境。

图4为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器封装盖板上第二压力敏感膜的示意图，如图4所示，在硅层220的中央位置刻蚀一定深度用于形成第二压力敏感膜221，第二压力敏感膜221用于感受差压的另一个压力源。

图5为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器温度补偿和静压补偿的示意图，利用如上述的谐振式差压传感器，其具体的补偿过程如下：

在谐振式差压传感器的温度工作范围-45～85℃选定m个标定点；

在谐振式差压传感器的静压工作范围0～1MPa选取n个标定点；

在谐振式差压传感器的差压工作范围-100～100kPa选取k个工作点；

得到m×n×k个工作点，每个工作点包括一个温度标定点、一个静压标定点和一个差压标定点，测量第一谐振器140、第二谐振器150、第三谐振器160处于每个工作点的输出频率，共得到m×n×k组输出数据，每组输出数据包括在同一个工作点下，一个第一谐振器140的输出频率、一个第二谐振器150的输出频率、一个第三谐振器160的输出频率；

所述第一谐振器140、第二谐振器150、第三谐振器160的输出分别是f₁，f₂，f₃。

三个谐振器输出的频率与差压、温度和静压相关，用数学关系表达如下：

其中，P_d，T，P_s分别代表差压、温度、静压。将上式进行一定的数学变化可得到下式：

其中，P_d是差压的补偿函数，T是温度的补偿函数，P_s是静压的补偿函数。

此时，假设P_d是关于f₁，f₂，f₃的多项式函数，表达如下：

P_d＝a₀+a₁f₁+a₂f₂+a₃f₃+a₄f₁f₂+a₅f₂f₃+a₆f₁f₃+a₇f₁ ²+a₈f₂ ²+a₉f₃ ²+a₁₀f₁f₂f₃+a₁₁f₁ ²f₂+a₁₂f₁ ²f₃+a₁₃f₁f₂ ²+a₁₄f₂ ²f₃+a₁₅f₁f₃ ²+a₁₆f₂f₃ ²+a₁₇f₁ ³+a₁₈f₂ ³+a₁₉f₃ ³+…

用标定得到的数据对上述多项式进行拟合，得到P_d关于f₁，f₂，f₃的表达式，即差压函数。

图6为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器实施温度补偿和静压补偿的差压测量方式。具体的差压测量方式如下：

将谐振式差压传感器置于一定温度、静压和差压的工作环境下，通过电路检测第一谐振器140、第二谐振器150、第三谐振器160的谐振频率，第一谐振器140、第二谐振器150、第三谐振器160输出分别为f₁，f₂，f₃。

将上述拟合好的差压函数以程序的方式写入微处理器中。

将f₁，f₂，f₃输入到微处理器中即可得到温度补偿和静压补偿后的差压输出。

图7为本公开一实施例提供的一种谐振式差压传感器的制作方法，如图7所示，其中本体100为SOI，硅层210为硅片，玻璃层220为硼硅玻璃，该方法主要包括以下步骤：

S101、在SOI的器件层110甩光刻胶作为掩模，刻蚀出第一谐振器140、第二谐振器150、第三谐振器160；

S102、气态氢氟酸释放第一谐振器140、第二谐振器150、第三谐振器160，先使用气态氢氟酸除去上述三个谐振器处的埋氧层，然后使用异丙醇带走表面的水汽，循环数次完成上述三个谐振器的释放；

S103、将硅片和硼硅玻璃阳极键合形成盖板200；

S104、在盖板200的硅表面甩光刻胶作为掩模刻蚀出第二压力敏感膜221；

S105、在盖板200的玻璃表面溅射金属掩模，并且甩胶光刻将金属掩模图形化，金属和光刻胶作为掩模，用气态氢氟酸干法刻蚀玻璃形成第三谐振腔212、第二谐振腔213、第一谐振腔214和吸气剂槽211；

S106、将制作完成的盖板200与SOI阳极键合，形成对谐振器的真空封装；

S107、采用金属氧化物和光刻胶组成的复合掩模刻蚀SOI衬底层130，形成第一压力敏感膜132和引线孔131；

S108、使用气态氢氟酸除去SOI衬底层130引线孔131位置的埋氧层，然后在引线孔131内溅射电极，最后进行引线键合形成器件与外界的电学连接。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开具备温度补偿和静压补偿的谐振式差压传感器的设计制作方法与补偿方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)本公开所提出的温度补偿和静压补偿方法以电磁激励与电磁检测的H型谐振器进行说明，本方法可应用于任何形式的三谐振器结构的谐振式差压传感器，例如静电激励电容检测的谐振器；

(2)本公开提出的谐振式差压传感器利用三个谐振器的频率输出进行温度补偿和静压补偿的方法包括但不限于多项式拟合方法，其他方法例如调整系数法也可；

(3)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

(4)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本公开提出一种具备温度补偿和静压补偿的谐振式差压传感器，在外界不具备温度敏感元件和静压敏感元件的条件下，即可实现在全温度范围，满差压量程和静压量程下的温度补偿和静压补偿，提高谐振式差压传感器差压测量的精度。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种谐振式差压传感器，其特征在于，包括：

本体(100)和盖板(200)；

所述盖板(200)和所述本体(100)之间通过阳极键合在一起；

所述本体(100)包括：器件层(110)和衬底层(130)；

所述器件层(110)上制作有第一谐振器(140)、第二谐振器(150)和第三谐振器(160)；

所述衬底层(130)上制作有第一压力敏感膜(132)；

所述第一谐振器(140)位于所述第一压力敏感膜(132)的中央位置，所述第二谐振器(150)位于所述第一压力敏感膜(132)的边缘区域，所述第三谐振器(160)位于所述器件层(110)上的所述第一压力敏感膜(132)区域外的任意一侧边框上；

所述盖板(200)包括：玻璃层(210)和硅层(220)；

所述玻璃层(210)和硅层(220)之间通过阳极键合在一起；

所述玻璃层(210)上制作有吸气剂槽(211)；

所述吸气剂槽(211)与所述第三谐振器(160)分别位于所述第一压力敏感膜(132)两侧的边框上。

2.根据权利要求1所述的谐振式差压传感器，其特征在于，

所述本体(100)还包括埋氧层(120)，所述埋氧层(120)位于所述器件层(110)和衬底层(130)之间。

3.根据权利要求2所述的谐振式差压传感器，其特征在于，

所述器件层(110)上制作有电极(170)；

所述衬底层(130)上制作有引线孔(131)，所述引线孔(131)是刻蚀到所述埋氧层(120)的硅通孔。

4.根据权利要求1所述的谐振式差压传感器，其特征在于，

所述玻璃层(210)上制作有第三谐振腔(212)、第二谐振腔(213)和第一谐振腔(214)；

所述硅层(220)上刻蚀有第二压力敏感膜(221)。

5.根据权利要求1所述的谐振式差压传感器，其特征在于，所述第二谐振器(150)与第一谐振器(140)的输出大小一致，方向相反。

6.根据权利要求1所述的谐振式差压传感器，其特征在于，所述第一谐振器(140)、第二谐振器(150)和第三谐振器(160)具有相同的结构尺寸。

7.根据权利要求3所述的谐振式差压传感器，其特征在于，所述引线孔(131)的位置与所述电极(170)的位置一一对应。

8.根据权利要求4所述的谐振式差压传感器，其特征在于，所述第二压力敏感膜(221)位于所述硅层(220)的中央位置，与所述第一压力敏感膜(132)的位置相对应。

9.根据权利要求1所述的谐振式差压传感器，其特征在于，所述第一谐振器(140)、第二谐振器(150)、第三谐振器(160)的位置分别与所述第一谐振腔(214)、第二谐振腔(213)、第三谐振腔(212)的位置一一对应。

10.一种谐振式差压传感器的补偿方法，利用如权利要求1-9任一所述的谐振式差压传感器，其特征在于，包括：

在所述谐振式差压传感器的温度工作范围内选定m个温度标定点，在所述谐振式差压传感器的静压工作范围内选取n个静压标定点，在所述谐振式差压传感器的差压工作范围内选取k个差压工作点，得到m×n×k个工作点，每个所述工作点包括一个温度标定点、一个静压标定点和一个差压标定点；

测量所述第一谐振器(140)、第二谐振器(150)、第三谐振器(160)处于每个工作点的输出频率，共得到m×n×k组输出数据，每组所述输出数据包括在同一个工作点下，一个所述第一谐振器(140)的输出频率、一个所述第二谐振器(150)的输出频率、一个所述第三谐振器(160)的输出频率；

对所述m×n×k组输出数据进行三元多项式拟合，得到温度补偿和静压补偿后的差压函数。

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