專利名稱：基于微機(jī)械的電磁激勵諧振式壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)械傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于微電子機(jī)械技術(shù)(MEMQ的電磁激勵諧振梁式壓力傳感器。
背景技術(shù)：
諧振梁式壓力傳感器都是包含壓力敏感膜和諧振梁兩部分，當(dāng)外界待測壓力變化時壓力敏感膜會產(chǎn)生應(yīng)變，將應(yīng)變傳遞給諧振器會改變諧振器的剛度，從而改變諧振器的頻率，檢測諧振器的頻率變化即可得到外界待測壓力的大小。利用MEMS技術(shù)制作的微結(jié)構(gòu)諧振梁式壓力傳感器，到目前為止主要采用單晶硅和多晶硅材料制作而成。微機(jī)械硅諧振式壓力傳感器主要用于高精度壓力的測量，由于其具有頻率輸出，而易于進(jìn)行數(shù)字化處理；采用MEMS工藝，可以使傳感器實(shí)現(xiàn)微型化、集成化、從而易于進(jìn)行批量生產(chǎn)。采用單晶硅材料制作壓力傳感器的諧振梁，多采用諧振梁和壓力膜分開制作，最后通過鍵合技術(shù)使其成為一體。其缺點(diǎn)是，鍵合容易引入鍵合應(yīng)力，會降低傳感器的穩(wěn)定性；另外，鍵合工藝過程較為復(fù)雜。采用多晶硅材料制作壓力傳感器的諧振梁，多采用表面加工工藝在壓力膜表面生長多晶硅進(jìn)行諧振梁的加工。其缺點(diǎn)是，諧振梁易與壓力膜產(chǎn)生機(jī)械耦合，并且表面加工工藝過程十分復(fù)雜。另外，當(dāng)外界環(huán)境變化(除氣壓變化外)，諧振式壓力傳感器也會產(chǎn)生輸出，即產(chǎn)生漂移，從而影響傳感器的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種基于微機(jī)械的電磁激勵諧振式壓力傳感器，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提高傳感器的性能。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于微機(jī)械的電磁激勵諧振式壓力傳感器，其包括錨點(diǎn)( 、諧振器(3)、壓力敏感膜⑷和框架(5)，其中在框架(5)內(nèi)側(cè)壁中部水平設(shè)有壓力敏感膜G)，在壓力敏感膜的一對角線上，位于壓力敏感膜(4)上表面中部設(shè)有二個錨點(diǎn)0)，二錨點(diǎn)( 上端和相應(yīng)的框架(5) 對角線的端點(diǎn)上端固接有多組諧振器(3)；多組諧振器(3)首尾相接的直線設(shè)置，跨置于與框架(5)、錨點(diǎn)(2)、錨點(diǎn)(2)、框架 (5)之間，與壓力敏感膜的上述一對角線走向重合；多組諧振器(3)的驅(qū)動端與驅(qū)動電路電連接，另一拾振端，輸出諧振器的諧振頻率，與檢測電路電連接。所述的壓力傳感器，其所述多組諧振器(3)為三組，結(jié)構(gòu)相同，為二梁或四梁音叉結(jié)構(gòu)，呈H狀或雙H平行狀；諧振器C3)上表面固設(shè)有電極，電極一端為驅(qū)動端與驅(qū)動電路電連接，另一端為拾振端，與檢測電路電連接。所述的壓力傳感器，其所述四梁音叉結(jié)構(gòu)的諧振器(3)，其上表面固設(shè)的電極呈U 形，兩端位于同一側(cè)。所述的壓力傳感器，其所述錨點(diǎn)O)、壓力敏感膜(4)材料為單晶硅；諧振器(3) 及框架(5)為帶絕緣介質(zhì)層的濃硼擴(kuò)散硅(101)；絕緣介質(zhì)層為氧化硅(10 和氮化硅 (103)組成的雙層絕緣材料。一種所述的壓力傳感器的封裝方法，其為金屬管殼真空封裝法，包括步驟a)用環(huán)氧膠粘劑在帶有管針(14)的管座(10)上粘接磁鐵(1 和陶瓷環(huán)(13)；b)在陶瓷環(huán)(1 上表面用玻璃焊料焊接或膠粘劑粘接的方法，與電磁激勵諧振式壓力傳感器芯片(11)下表面固接；c)用金絲球壓焊法，用金絲(15)將芯片(11)上的電極與管針(14)連接；d)用管帽(16)蓋上管座(10)上的構(gòu)件，采用儲能焊或環(huán)氧粘接劑對相接處進(jìn)行密封固接；e)從管帽(16)的尾管處把管帽腔室(17)抽成真空，采用冷壓技術(shù)把管帽(16)尾管處密封，從而整個傳感器芯片(11)就被密封于真空腔(17)中，得成品。一種所述的壓力傳感器的封裝方法，其為硅蓋真空封裝法，包括步驟a)用環(huán)氧膠粘劑在帶有管針(14)的管座(10)上粘接磁鐵(1 和陶瓷環(huán)(13)；b)在陶瓷環(huán)(1 上表面用玻璃焊料焊接或膠粘劑粘接的方法，與電磁激勵諧振式壓力傳感器芯片(11)下表面固接；c)用金絲球壓焊法，用金絲(15)將芯片(11)上的電極與管針(14)連接；d)用硅蓋(18)蓋在電磁激勵諧振式壓力傳感器芯片(11)上，在真空腔室中用鍵合或粘合方法，將硅蓋(18)下周緣與框架( 上表面固接為一體，把諧振器C3)密封于硅蓋(18)的密封腔(17)中；e)再在硅蓋(18)的上方蓋上無尾管的管帽(16)，管帽(16)罩住管座(10)上的構(gòu)件，采用儲能焊或環(huán)氧粘接劑對相接處進(jìn)行密封固接，即得成品。所述的壓力傳感器的封裝方法，其兩種封裝方法都采用了熱膨脹系數(shù)與單晶硅材料相同的陶瓷材料以隔離熱應(yīng)力。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于擴(kuò)散硅材料制作諧振器梁膜一體，避免了鍵合工藝過程，從而避免了鍵合應(yīng)力的引入；濃硼擴(kuò)散自停止腐蝕技術(shù)釋放諧振器工藝簡單，一致性好；三組梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(其中一組邊上梁為備用梁)采用兩組梁進(jìn)行差分輸出，降低溫度等環(huán)境因素引起的漂移；諧振器斜對角放置便于各向異性腐蝕時釋放諧振器；諧振器結(jié)構(gòu)采用了音叉式設(shè)計提高諧振器的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。


圖1是電磁激勵諧振式壓力傳感器芯片頂視圖；圖2是電磁激勵諧振式壓力傳感器A-A’橫截面圖3是電磁激勵諧振式壓力傳感器的兩種諧振器圖；圖4是電磁激勵諧振式壓力傳感器的兩種諧振器上的為進(jìn)行激振和拾振而設(shè)計的電極分布圖；圖5是電磁激勵諧振式壓力傳感器的制作工藝流程圖；圖6 (a)是電磁激勵諧振式壓力傳感器的金屬管殼封裝步驟示意圖；圖6 (b)是電磁激勵諧振式壓力傳感器的硅蓋真空封裝步驟示意圖；圖7是電磁激勵諧振式壓力傳感器上鍵合有硅蓋的剖面示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明加以詳細(xì)的說明。如圖1是本發(fā)明基于微電子機(jī)械技術(shù)(MEMS)的電磁激勵諧振式壓力傳感器的實(shí)施例，包括三組相同的諧振器3、壓力敏感膜4、錨點(diǎn)2及框架5，傳感器芯片采用MEMS工藝在單晶硅襯底1上制作而成。諧振器材料是帶絕緣介質(zhì)的濃硼擴(kuò)散硅。絕緣介質(zhì)材料采用氮化硅或二氧化硅。 由于單晶硅的濕法腐蝕中所表現(xiàn)出的各向異性，三組諧振器3采用了呈45°斜對角分布于方形傳感器芯片的對角線上的方式，如圖1，從而易于諧振器的釋放；諧振器分別由錨點(diǎn)2 和框架5支撐，如圖2。如圖2，當(dāng)外界有待測壓力時，壓力敏感膜4會產(chǎn)生應(yīng)變，通過錨點(diǎn)2傳遞到諧振器3上，使諧振器的剛度改變，從而改變諧振器的固有頻率。通過檢測諧振器的固有頻率變化，就可以測得外界待測壓力的大小。如圖3，諧振器設(shè)計了兩種音叉式梁結(jié)構(gòu)，兩根梁組成的” H”型簡單雙聯(lián)音叉結(jié)構(gòu) 301和由兩個”H”型梁組成的四梁音叉結(jié)構(gòu)302，音叉結(jié)構(gòu)諧振器，使振動能量進(jìn)行耦合，降低損耗，從而提高傳感器的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。如圖4，諧振器上濺射有金屬電極，當(dāng)諧振器置于垂直磁場中時，在諧振器電極 3011的驅(qū)動端加驅(qū)動信號，在電磁力的作用下激勵諧振器振動，在另一端拾振，輸出諧振器的諧振頻率。對于四梁音叉結(jié)構(gòu)的諧振器，在驅(qū)動端加激勵信號，由于電極的“U”形設(shè)計， 使得兩組“H”梁受到反方向的電磁力，從而抑制諧振器的同相水平振動模態(tài)，從而使傳感器穩(wěn)定地諧振于反相水平振動模態(tài)。以諧振器301式傳感器芯片為例，說明本發(fā)明的電磁激勵微機(jī)械諧振式壓力傳感器的制作工藝流程，如圖5:1)對單晶硅片進(jìn)行摻雜，在表面生長濃硼擴(kuò)散層101 ；在擴(kuò)散硅表面生長絕緣層 (二氧化硅102和氮化硅103)；2)光刻背面開出窗口，采用反應(yīng)離子刻蝕背面的氧化層和氮化層；采用反應(yīng)離子深刻蝕刻蝕擴(kuò)散硅層；3)采用lift-off工藝制備正面電極。在正面光刻開出電極窗口 ；濺射金屬膜105 ； 去除光刻膠104，得到電極；4)光刻正面開出窗口，采用反應(yīng)離子刻蝕背面的氧化層和氮化層；采用反應(yīng)離子深刻蝕刻蝕擴(kuò)散硅層；5)采用濃硼擴(kuò)散自停止腐蝕工藝釋放諧振器，同時減薄壓力敏感膜。
本發(fā)明基于微電子機(jī)械技術(shù)(MEMQ的電磁激勵諧振式壓力傳感器的封裝采用了兩種封裝方式金屬管殼封裝和硅蓋真空封裝。見圖6 (a)，金屬管殼封裝步驟為在帶有管針14的管座10上安裝磁鐵12和陶瓷環(huán)13，采用環(huán)氧膠粘劑粘接；在陶瓷環(huán)13上安裝本發(fā)明基于微電子機(jī)械技術(shù)(MEMS)的電磁激勵諧振式壓力傳感器芯片11， 可采用玻璃焊料焊接或稀薄的膠粘劑粘接；采用金絲球壓焊，用金絲15連接芯片上的電極與管針14 ；蓋上管帽16，采用儲能焊或環(huán)氧粘接劑進(jìn)行密封；從管帽16的尾管處把管帽腔室17抽成真空，采用冷壓技術(shù)把管帽16尾管處密封，從而整個傳感器芯片11就被密封于真空腔17中，得成品。見圖6 (b)，硅蓋真空封裝步驟為首先在真空腔室中把硅蓋18與本發(fā)明基于微電子機(jī)械技術(shù)(MEMS)的電磁激勵諧振式壓力傳感器芯片11鍵合(或粘合)成為一體，把諧振器密封于密封腔17中；在帶有管針14的管座10上安裝磁鐵12和陶瓷環(huán)13，采用環(huán)氧膠粘劑粘接；在陶瓷環(huán)13上安裝芯片11與硅蓋18鍵合的整體，可采用玻璃焊料焊接或稀薄的膠粘劑粘接；采用金絲球壓焊， 用金絲15連接芯片11上的電極與管針14 ；蓋上無尾管的管帽16，采用儲能焊或環(huán)氧粘接劑進(jìn)行密封后，即得成品。圖7為圖6(b)中本發(fā)明基于微電子機(jī)械技術(shù)(MEMQ的電磁激勵諧振式壓力傳感器芯片11上鍵合有硅蓋18的剖面示意圖。
權(quán)利要求
1.一種基于微機(jī)械的電磁激勵諧振式壓力傳感器，其特征在于，包括錨點(diǎn)O)、諧振器 (3)、壓力敏感膜(4)和框架(5)，其中在框架(5)內(nèi)側(cè)壁中部水平設(shè)有壓力敏感膜G)，在壓力敏感膜的一對角線上，位于壓力敏感膜(4)上表面中部設(shè)有二個錨點(diǎn)0)，二錨點(diǎn)( 上端和相應(yīng)的框架( 對角線的端點(diǎn)上端固接有多組諧振器⑶；多組諧振器⑶首尾相接的直線設(shè)置，跨置于與框架(5)、錨點(diǎn)O)、錨點(diǎn)O)、框架(5) 之間，與壓力敏感膜的上述一對角線走向重合；多組諧振器(3)的驅(qū)動端與驅(qū)動電路電連接，另一拾振端，輸出諧振器的諧振頻率，與檢測電路電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述多組諧振器(3)為三組，結(jié)構(gòu)相同，為二梁或四梁音叉結(jié)構(gòu)，呈H狀或雙H平行狀；諧振器(3)上表面同設(shè)有電極，電極一端為驅(qū)動端與驅(qū)動電路電連接，另一端為拾振端，與檢測電路電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其特征在于所述四梁音叉結(jié)構(gòu)的諧振器(3)， 其上表面固設(shè)的電極呈U形，兩端位于同一側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于所述錨點(diǎn)O)、壓力敏感膜(4)材料為單晶硅；諧振器03)及框架( 為帶絕緣介質(zhì)層的濃硼擴(kuò)散硅(101)；絕緣介質(zhì)層為氧化硅(10 和氮化硅(10 組成的雙層絕緣材料。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器的封裝方法，其特征在于為金屬管殼真空封裝法，包括步驟a)用環(huán)氧膠粘劑在帶有管針(14)的管座(10)上粘接磁鐵(1 和陶瓷環(huán)(13)；b)在陶瓷環(huán)(13)上表面用玻璃焊料焊接或膠粘劑粘接的方法，與電磁激勵諧振式壓力傳感器芯片(11)下表面固接；c)用金絲球壓焊法，用金絲(15)將芯片(11)上的電極與管針(14)連接；d)用管帽(16)蓋上管座(10)上的構(gòu)件，采用儲能焊或環(huán)氧粘接劑對相接處進(jìn)行密封固接；e)從管帽(16)的尾管處把管帽腔室(17)抽成真空，采用冷壓技術(shù)把管帽(16)尾管處密封，從而整個傳感器芯片(11)就被密封于真空腔(17)中，得成品。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器的封裝方法，其特征在于為硅蓋真空封裝法，包括步驟a)用環(huán)氧膠粘劑在帶有管針(14)的管座(10)上粘接磁鐵(1 和陶瓷環(huán)(13)；b)在陶瓷環(huán)(1 上表面用玻璃焊料焊接或膠粘劑粘接的方法，與電磁激勵諧振式壓力傳感器芯片(11)下表面固接；c)用金絲球壓焊法，用金絲(15)將芯片(11)上的電極與管針(14)連接；d)用硅蓋(18)蓋在電磁激勵諧振式壓力傳感器芯片(11)上，在真空腔室中用鍵合或粘合方法，將硅蓋(18)下周緣與框架( 上表面固接為一體，把諧振器C3)密封于硅蓋 (18)的密封腔(17)中；e)再在硅蓋(18)的上方蓋上無尾管的管帽(16)，管帽(16)罩住管座(10)上的構(gòu)件， 采用儲能焊或環(huán)氧粘接劑對相接處進(jìn)行密封固接，即得成品。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的壓力傳感器的封裝方法，其特征在于，兩種封裝方法都采用了熱膨脹系數(shù)與單晶硅材料相同的陶瓷材料以隔離熱應(yīng)力。
全文摘要
一種基于微機(jī)械的電磁激勵諧振式壓力傳感器，涉及微機(jī)械傳感技術(shù)，傳感器上有三組諧振器，諧振器由壓力膜上的錨點(diǎn)固支，并置于框架的對角線上，諧振器上有電極。加有激勵信號的諧振器在外加磁場的作用下由磁場力激振，當(dāng)外界有待測壓力時，壓力膜上產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變通過錨點(diǎn)傳遞到諧振器上改變諧振器的剛度，從而改變諧振器的固有頻率，檢測拾振電極輸出信號的頻率即可測量外界待測壓力的大小。傳感器有兩種封裝方式，都采用了熱膨脹系數(shù)與單晶硅基本相同的陶瓷環(huán)進(jìn)行應(yīng)力隔離。本發(fā)明傳感器的諧振器工作于水平振動模態(tài)；用差動輸出抑制了溫度等外界因素引起的漂移，提高了靈敏度；采用濃硼擴(kuò)散自停止腐蝕技術(shù)釋放諧振器，工藝簡單，一致性好。
文檔編號G01L1/10GK102374909SQ201010251499
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者史曉晶, 毋正偉, 王軍波, 陳德勇 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所