CN113091984A - 一种谐振式高压传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种谐振式高压传感器，包括：本体，本体制作有第一谐振器、第二谐振器、第一压力敏感膜和第二压力敏感膜；第一谐振器位于第一压力敏感膜上，且靠近第一压力敏感膜的中心；第二谐振器位于第二压力敏感膜上，且靠近第二压力敏感膜的边缘。谐振式高压传感器还包括玻璃盖板，玻璃盖板上制作有第一空腔和第二空腔，第一空腔和第二空腔具有相同的结构；第一空腔的位置与第一压力敏感膜的位置相对应，第二空腔的位置和第二压力敏感膜的位置相对应。本公开采用集成式多膜耦合的方式，利用多膜耦合使双谐振梁可表征传感器的压力和温度，利用得到的温度参数实现谐振式高压传感器温度自补偿，提高压力测量精度。
Description
技术领域
本公开涉及MEMS微传感器领域，尤其涉及一种谐振式高压传感器及其制作方法。
背景技术
谐振式压力传感器的输出为准数字频率信号，适用于长距离传输具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点，广泛应用于航空航天、石油化工、海洋科学和工业控制等领域。
根据量程分类，谐振式压力传感器一般可以分为一般量程压力传感器和超大量程(高压)压力传感器。一般量程压力传感器在压力敏感时，检测的压力都处于材料的线性范围内，设计和制造相对较简单。而高压传感器的设计需要考虑更多的因素，如在感压突破弹性范围外的结构强度、封装强度等。同时，为了简化传感器后续的封装结构以及保证谐振器与电路的兼容性，谐振器的设计需要考虑谐振器的激励和检测方式。
目前用于高压测量的谐振式压力传感器根据激励方式不同可分为两种，第一种是采用电磁激励的方式，但是这种传感器需要永磁体来提供磁场，永磁体的质量和体积都较大，不适合小型化应用。第二种是采用静电激励的方式，但是这种传感器存在谐振器结构复杂，工艺制作难度大的问题。此外，为了提供谐振器振动空间和保证具有较高的品质因数，谐振器需要真空封装，但目前这两种类型的高压传感器在封装结构上均无法耐受较高量程的压力，且在较高压力测量范围内无法保证较高的灵敏度和线性度。
综上所述，针对谐振式高压传感器在整体结构设计、激励和检测、以及谐振器真空封装上存在一定的问题，本发明提出一种适用于高压测量的谐振式压力传感器结构，并提供制作方法。
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谐振式高压传感器及制作方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
(二)技术方案
为了实现上述目的，根据本公开的一个方面，提供了一种谐振式高压传感器，包括：
本体100；
本体100上制作有第一谐振器300、第二谐振器400、第一压力敏感膜140和第二压力敏感膜141；
第一谐振器300位于第一压力敏感膜140上，且靠近第一压力敏感膜140的中心；
第二谐振器400位于第二压力敏感膜141上，且靠近第二压力敏感膜141的边缘。
优选地，本体100包括器件层110、埋氧层120和基底层130；
埋氧层120位于器件层110和基底层130之间。
优选地，本体100上还包括第三压力敏感膜132；
第三压力敏感膜为基底层130；
第一压力敏感膜140和第二压力敏感膜141均位于第三压力敏感膜132上；
第一压力敏感膜140和第二压力敏感膜141的面积均小于第三压力敏感膜132；
第一压力敏感膜140和第二压力敏感膜141的尺寸相同。
优选地，本体100上还制作有接线端子160和隔离槽170；
接线端子160的中心位置所对应的埋氧层120和基底层130被刻穿，形成引线孔131；
引线孔131内制作有金属电极121；
隔离槽170位于接线端子160的***。
优选地，第一谐振器300包括：
谐振梁310，由锚点122固定在第一压力敏感膜140上；
驱动电极320，位于谐振梁310的两侧；
检测电极330，位于谐振梁310的两端；
接地端子340，位于谐振梁310的两端；
压敏电阻350，位于谐振梁310的根部；
检测电极330位于接地端子340的两侧。
优选地，第一谐振器300和第二谐振器400具有相同的结构。
优选地，驱动电极320采用静电激励方式：
通过驱动电极320对谐振梁310施加直流偏置电压和交流驱动电压，通过检测电极330、接地端子340和压敏电阻350检测谐振梁310的振动频率。
优选地，上述谐振式高压传感器还包括玻璃盖板200；
玻璃盖板200上制作有第一空腔220和第二空腔230，第一空腔220和第二空腔230具有相同的结构；
第一空腔220的位置与第一压力敏感膜140的位置相对应，第二空腔230的位置和第二压力敏感膜141的位置相对应；
第一空腔220和第二空腔230的底部均沉积有吸气剂210。
优选地，第一谐振器300和第二谐振器400对于第三压力敏感膜132上的压力P有相反的频率响应；
当压力P作用于第三压力敏感膜132上时，第一压力敏感膜140位于第三压力敏感膜132的相对中间区域，第一谐振器300受到张应力的作用，第一谐振器300的谐振频率升高为f1；
第二压力敏感膜141位于第三压力敏感膜132的相对边缘区域，第二谐振器400受到压应力的作用，第二谐振器400的谐振频率降低为f2；
利用f1和f2之差表征压力P的大小，利用f1和f2之和表征传感器的温度。
另一方面，本公开还提供了一种谐振式高压传感器的制作方法，该方法包括：
在本体100的基底层130上甩光刻胶作为掩膜，刻蚀形成引线孔131；
在本体100的器件层110上溅射金属层，甩光刻胶作为掩膜，利用一次DRIE/ICP同时刻蚀出第一谐振器300、第二谐振器400、第一压力敏感膜140和第二压力敏感膜141；
利用气态HF释放第一谐振器300和第二谐振器400；
在玻璃盖板200上溅射金属掩膜，甩上光刻胶将金属掩膜图形化，用气态HF刻蚀形成第一空腔220和第二空腔230；
在第一空腔220和第二空腔230内生成吸气剂210；
利用阳极键合将玻璃盖板200和本体100真空键合，将第一谐振器300和第二谐振器400密封在真空腔室内；
在引线孔131内制作金属电极121。
(三)有益效果
(1)本公开采用集成式多膜耦合的方式，利用多膜耦合使双谐振梁可表征传感器的压力和温度，并利用得到的温度参数实现谐振式高压传感器温度自补偿，提高压力测量精度。膜结构和双谐振器在一次刻蚀工艺完成，不会增加工艺复杂度；
(2)本公开采用SOI片的基底层底部不需要再刻蚀压力敏感膜，因此，基底层压力敏感膜和引线孔的制作不需要采用复合掩模，简化了加工步骤，降低了工艺难度。而且器件层和基底层都是单层硅，其厚度可以精确控制；
(3)本公开采用静电激励/压阻检测方式，提高了传感器的输出信号强度，简化了传感器后续的封装设计；
(4)本公开采用SOI制作引线孔，降低引线互连制作的复杂度，提高真空封装可靠性；
(5)本公开采用SOI过孔引线的方式，可通过溅射金属在器件层内形成等电位，避免谐振器吸合失效，提高成品率；
(6)本公开采用阳极键合技术和吸气剂技术，实现了谐振器的圆片级真空封装，真空度高且维持时间长，大大提高了谐振式高压传感器芯片的封装效率。
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高压传感器的三维结构示意图；
图2为本公开一实施例提供的一种谐振式高压传感器本体的底视图；
图3为本公开一实施例提供的一种谐振式高压传感器的谐振器三维结构示意图；
图4为本公开一实施例提供的一种谐振式高压传感器的制作方法。
附图标记说明
100-本体 110-器件层 120-埋氧层
121-金属电极 122-锚点 130-基底层
131-引线孔 132 第三压力敏感膜 140-第一压力敏感膜
141-第二压力敏感膜 150-第一连接结构 151-第二连接结构
160-接线端子 170-隔离槽 200-玻璃盖板
210-吸气剂 220-第一空腔 230-第二空腔
300-第一谐振器 310-谐振梁 320-驱动电极
330-检测电极 340-接地端子 350-压敏电阻
400-第二谐振器
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。
如图1-3所示，本公开一实施例提供一种谐振式高压传感器，该谐振式高压传感器包括：
本体100；本体100上制作有第一谐振器300、第二谐振器400、第一压力敏感膜140和第二压力敏感膜141；第一谐振器300位于第一压力敏感膜140上，且靠近第一压力敏感膜140的中心；第二谐振器400位于第二压力敏感膜141上，且靠近第二压力敏感膜141的边缘。
在本实施例中，上述第一压力敏感膜140和第二压力敏感膜141结构包括但不限于方膜、圆膜、多边形膜。
在本实施例中，本体100包括器件层110、埋氧层120和基底层130；埋氧层120位于器件层110和基底层130之间。
在本实施例中，本体100上还包括第三压力敏感膜132，用于感受外界压力；第三压力敏感膜为基底层130；第一压力敏感膜140和第二压力敏感膜141均位于第三压力敏感膜132上；第一压力敏感膜140和第二压力敏感膜141的面积均小于第三压力敏感膜132；第一压力敏感膜140和第二压力敏感膜141的尺寸相同。为了提高芯片的耐压强度，上述第一压力敏感膜140和上述第二压力敏感膜141的面积均小于上述第三压力敏感膜132。
在本实施例中，第三压力敏感膜132可利用刻蚀\腐蚀方法在本体100基底层制作代替，且通过刻蚀\腐蚀方法制作的第三压力敏感膜132的类型包括但不限于方膜、圆膜、多边形膜。
在本实施例中，上述谐振式高压传感器还包括玻璃盖板200，本体100和玻璃盖板200可以通过阳极键合真空封装在一起，也可以用共晶键合代替，比如金硅、金锡共晶键合等。
玻璃盖板200上制作有第一空腔220和第二空腔230，用于提供谐振器振动空间。上述第一空腔220和第二空腔230具有相同的结构尺寸；第一空腔220的位置与第一压力敏感膜140的位置相对应，第二空腔230的位置和第二压力敏感膜141的位置相对应；为了吸收在阳极键合过程中玻璃释放的气体，提高第一空腔220和第二空腔230内的真空度，在本实施例中，第一空腔220和第二空腔230的底部均沉积有吸气剂210。
在本实施例中，第一空腔220和第二空腔230的结构包括但不限于方形、圆、多边形，制作方法可采用干法刻蚀、喷砂、激光加工方式等。
图2为本公开一实施例提供的一种谐振式高压传感器本体的底视图，如图2所示，器件层110上还制作有接线端子160和隔离槽170，接线端子160位于上述第三压力敏感膜132的***。
在本实施例中，本体100上还制作有接线端子160和隔离槽170；接线端子160的中心位置所对应的埋氧层120和基底层130被刻穿，形成引线孔131；引线孔131内制作有金属电极121；隔离槽170位于接线端子160的***。
在本实施例中共有10个接线端子160，将每个接线端子160的中心位置所对应的埋氧层120和基底层130被刻穿，形成引线孔131，使得接线端子160与外部相连通。为了压焊引线，在引线孔131内制作有金属电极121。隔离槽170位于接线端子160的***，起到电隔离的作用。
图3为本公开一实施例提供的一种谐振式高压传感器的谐振器三维结构示意图，如图3所示，第一谐振器300包括：谐振梁310、驱动电极320、检测电极330、接地端子340、压敏电阻350和锚点122。
在本实施例中，上述第一谐振器300包括：谐振梁310，由锚点122固定在第一压力敏感膜140上；驱动电极320，位于谐振梁310的两侧，用于驱动谐振梁310振动，为了获得较大的静电力，驱动电极320和谐振梁310无限接近驱动电极320和谐振梁310无限接近；检测电极330，位于谐振梁310的两端，用于检测谐振梁310的频率输出；接地端子340，位于谐振梁310的两端；压敏电阻350，位于谐振梁310的根部，和检测电极330相连接，用于引出压阻信号；检测电极330位于接地端子340的两侧。
在本实施例中，上述第一谐振器300和第二谐振器400具有相同的结构；驱动电极320采用静电激励方式：通过驱动电极320对谐振梁310施加直流偏置电压和交流驱动电压，通过检测电极330、接地端子340和压敏电阻350检测谐振梁310的振动频率。
在本实施例中，该谐振式高压传感器为静电激励式，该谐振式高压传感器的检测方式是压阻检测。通过驱动电极320对谐振梁310施加直流偏置电压和交流驱动电压，通过检测电极330、接地端子340和压敏电阻350检测谐振梁310的振动频率。
在本实施例中，第一谐振器300和第二谐振器400对于第三压力敏感膜132上的压力P有相反的频率响应，当压力P作用于第三压力敏感膜132上时，第一压力敏感膜140位于第三压力敏感膜132的相对中间区域，第一谐振器300受到张应力的作用，第一谐振器300的谐振频率升高为f1；第二压力敏感膜141位于第三压力敏感膜132的相对边缘区域，第二谐振器400受到压应力的作用，第二谐振器400的谐振频率降低为f2；利用f1和f2之差表征压力P的大小，利用f1和f2之和表征谐振式高压传感器的温度。
例如，第一谐振器300固定于第一压力敏感膜140上方靠近中心的位置，第二谐振器400固定于第二压力敏感膜141上方靠近边缘的位置，故当外界压力作用于第三压力敏感膜132上时，第一压力敏感膜140和第二压力敏感膜141在中间区域产生张应力，在边缘区域产生压应力。第一压力敏感膜140上的第一谐振器300受到张应力的作用，谐振频率升高到f1，第三方形压力敏感膜141上的第二谐振器400受到压应力的作用，谐振频率降低到f2，且两个谐振器对于外界压力P有相反的频率响应，故用这两个谐振器的频率之差来表征外界压力P的大小，用两个谐振器的频率之和来表征温度，提高了传感器的测量精度，降低了非线性误差。所以，采用双谐振器设计，谐振式超大量程压力传感器一方面可以测量外界压力，另一方面可以利用获得的温度信息进行传感器温度自补偿。
图4为本公开一实施例提供的一种谐振式高压传感器的制作方法，如图4所示，该方法包括：
S401、在本体100的基底层130上甩光刻胶作为掩膜，刻蚀形成引线孔131；
在本实施例中，本体100为SOI片，首先在SOI片基底层130上甩胶，利用光刻胶制作引线孔图形(对准介质层薄膜引线孔图形)，然后利用DRIE/ICP刻蚀引线孔至埋氧层120，然后去除光刻胶。
在本实施例中，制作引线孔131时使用的光刻胶可用SiO2、Si3N4、ZnO等代替。
S402、在本体100的器件层110上溅射金属层，甩光刻胶作为掩膜，利用一次DRIE/ICP同时刻蚀出第一谐振器300、第二谐振器400、第一压力敏感膜140和第二压力敏感膜141；
在本实施例中，首先在器件层110上溅射Cr并甩上光刻胶，通过光刻机光刻，形成第一谐振器300和第二谐振器400的图形，再利用光刻胶做掩膜材料，去除暴露的Cr金属层。然后利用光刻胶和Cr作为掩膜材料，利用DRIE/ICP刻蚀至埋氧层120，形成第一谐振器300和第二谐振器400。
S403、利用气态HF释放第一谐振器300和第二谐振器400；
在本实施例中，首先去除S402中在SOI片表面甩上的光刻胶，并利用浓H2SO4清洗SOI片。然后利用气态HF酸腐蚀引线孔131内的氧化硅。最后，利用气态HF酸腐蚀器件层110暴露的氧化硅，直到第一谐振器300和第二谐振器400释放，也可以用SiO2的湿法腐蚀来释放第一谐振器300和第二谐振器400。
S404、在玻璃盖板200上溅射金属掩膜，甩上光刻胶将金属掩膜图形化，用气态HF刻蚀形成第一空腔220和第二空腔230；
在本实施例中，在玻璃片上溅射Cr/Au掩膜，并甩上光刻胶，光刻形成第一空腔220和第二空腔230的图形，并去除暴露的Cr/Au金属层。然后利用HF酸腐蚀暴露的玻璃，形成第一空腔220和第二空腔230。
在本实施例中，上述制作玻璃盖板时金属掩膜材料可用其他金属代替。
S405、在第一空腔220和第二空腔230内生成吸气剂210；
在本实施例中，将S404中得到第一空腔220和第二空腔230的玻璃上的光刻胶和Cr/Au金属层去除，并利用硬掩膜技术，在第一空腔220和第二空腔230内均蒸发吸气剂210，也可以采用溅射的方法在第一空腔220和第二空腔230内生成吸气剂210。
S406、利用阳极键合将玻璃盖板200和本体100真空键合，将第一谐振器300和第二谐振器400密封在真空腔室内；
在本实施例中，在上述释放过的SOI片基底层130上溅射一层Cr/Au金属。通过引线孔131，Cr/Au金属薄膜可以连通器件层110上的第一谐振器300和第二谐振器400的各个电极，使其形成等电位，可避免阳极过程中各电极电位偏差，造成静电吸合。然后利用阳极键合将上述玻璃盖板200与上述SOI片真空键合，将第一谐振器300和第二谐振器400密封在真空腔室内。
S407、在引线孔131内制作金属电极121。
在本实施例中，可以采用溅射和蒸发的方法制作金属电极121。
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)
1.一种谐振式高压传感器，其特征在于，包括：本体(100)；
所述本体(100)上制作有第一谐振器(300)、第二谐振器(400)、第一压力敏感膜(140)和第二压力敏感膜(141)；
所述第一谐振器(300)位于所述第一压力敏感膜(140)上，且靠近所述第一压力敏感膜(140)的中心；
所述第二谐振器(400)位于所述第二压力敏感膜(141)上，且靠近所述第二压力敏感膜(141)的边缘。
2.根据权利要求1所述的谐振式高压传感器，其特征在于，所述本体(100)包括器件层(110)、埋氧层(120)和基底层(130)；
所述埋氧层(120)位于所述器件层(110)和所述基底层(130)之间。
3.根据权利要求2所述的谐振式高压传感器，其特征在于，所述本体(100)上还包括第三压力敏感膜(132)；
所述第三压力敏感膜为所述基底层(130)；
所述第一压力敏感膜(140)和所述第二压力敏感膜(141)均位于所述第三压力敏感膜(132)上；
所述第一压力敏感膜(140)和所述第二压力敏感膜(141)的面积均小于所述第三压力敏感膜(132)；
所述第一压力敏感膜(140)和所述第二压力敏感膜(141)的尺寸相同。
4.根据权利要求2所述的谐振式高压传感器，其特征在于，所述本体(100)上还制作有接线端子(160)和隔离槽(170)；
所述接线端子(160)的中心位置所对应的所述埋氧层(120)和所述基底层(130)被刻穿，形成引线孔(131)；
所述引线孔(131)内制作有金属电极(121)；
所述隔离槽(170)位于所述接线端子(160)的***。
5.根据权利要求1所述的谐振式高压传感器，其特征在于，所述第一谐振器(300)包括：
谐振梁(310)，由锚点(122)固定在所述第一压力敏感膜(140)上；
驱动电极(320)，位于所述谐振梁(310)的两侧；
检测电极(330)，位于所述谐振梁(310)的两端；
接地端子(340)，位于所述谐振梁(310)的两端；
压敏电阻(350)，位于所述谐振梁(310)的根部；
所述检测电极(330)位于所述接地端子(340)的两侧。
6.根据权利要求1所述的谐振式高压传感器，其特征在于，所述第一谐振器(300)和所述第二谐振器(400)具有相同的结构。
7.根据权利要求5所述的谐振式高压传感器，其特征在于，所述驱动电极(320)采用静电激励方式；
通过所述驱动电极(320)对所述谐振梁(310)施加直流偏置电压和交流驱动电压，通过所述检测电极(330)、所述接地端子(340)和所述压敏电阻(350)检测所述谐振梁(310)的振动频率。
8.根据权利要求1所述的谐振式高压传感器，其特征在于，所述谐振式高压传感器还包括玻璃盖板(200)；
所述玻璃盖板(200)上制作有第一空腔(220)和第二空腔(230)，所述第一空腔(220)和所述第二空腔(230)具有相同的结构；
所述第一空腔(220)的位置与所述第一压力敏感膜(140)的位置相对应，所述第二空腔(230)的位置和所述第二压力敏感膜(141)的位置相对应；
所述第一空腔(220)和所述第二空腔(230)的底部均沉积有吸气剂(210)。
9.根据权利要求1-8任一项所述的谐振式高压传感器，其特征在于，所述第一谐振器(300)和第二谐振器(400)对于第三压力敏感膜(132)上的压力P有相反的频率响应；
当压力P作用于所述第三压力敏感膜(132)上时，所述第一压力敏感膜(140)位于所述第三压力敏感膜(132)的相对中间区域，所述第一谐振器(300)受到张应力的作用，所述第一谐振器(300)的谐振频率升高为f1；
所述第二压力敏感膜(141)位于所述第三压力敏感膜(132)的相对边缘区域，所述第二谐振器(400)受到压应力的作用，所述第二谐振器(400)的谐振频率降低为f2；
利用所述f1和所述f2之差表征压力P的大小，利用所述f1和所述f2之和表征所述谐振式高压传感器的温度。
10.一种谐振式高压传感器的制作方法，其特征在于，包括：
在本体(100)的基底层(130)上甩光刻胶作为掩膜，刻蚀形成引线孔(131)；
在所述本体(100)的器件层(110)上溅射金属层，甩光刻胶作为掩膜，利用一次DRIE/ICP同时刻蚀出第一谐振器(300)、第二谐振器(400)、第一压力敏感膜(140)和第二压力敏感膜(141)；
利用气态HF释放所述第一谐振器(300)和所述第二谐振器(400)；
在玻璃盖板(200)上溅射金属掩膜，甩上光刻胶将所述金属掩膜图形化，用气态HF刻蚀形成第一空腔(220)和第二空腔(230)；
在所述第一空腔(220)和所述第二空腔(230)内生成吸气剂(210)；
利用阳极键合将所述玻璃盖板(200)和所述本体(100)真空键合，将所述第一谐振器(300)和所述第二谐振器(400)密封在真空腔室内；
在所述引线孔(131)内制作金属电极(121)。
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