專利名稱：一種基于微電子機(jī)械技術(shù)的硅諧振式氣壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種硅諧振式氣壓傳感器。
背景技術(shù)：
基于微電子機(jī)械技術(shù)(MEMS)工藝的氣壓傳感器主要分為壓阻式、電容式以及諧振式等三大類。微機(jī)械諧振式壓力傳感器因其精度高、穩(wěn)定性好、體積小、易批量生產(chǎn)等一些優(yōu)良的特性，被譽(yù)為新一代的壓力傳感器，是微電子機(jī)械(MEMQ技術(shù)繼壓阻式壓力傳感器之后的又一項(xiàng)典型應(yīng)用。比較國際上已經(jīng)實(shí)用化的幾種諧振式壓力傳感器，有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是，諧振器工作于高真空環(huán)境中，制作工藝要求太高，比如日本橫河公司的電磁激勵(lì)諧振式壓力傳感器就要求實(shí)現(xiàn)片上高真空密封，而且片上真空密封還存在電極引線以及電絕緣等問題，芯片與管座之間的封裝存在機(jī)械應(yīng)力以及熱應(yīng)力的有效隔離問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于微電子機(jī)械技術(shù)的硅諧振式氣壓傳感器，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。為實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)解決方案一種基于微電子機(jī)械技術(shù)的硅諧振式氣壓傳感器，其包括諧振梁膜硅片、下蓋基片、支撐基片、金屬管座和管帽；其中，金屬管座上置有多個(gè)管針，并有一貫通的導(dǎo)氣孔；支撐基片下表面固定在金屬管座上，上表面與下蓋基片下表面連接，下蓋基片上表面與諧振梁膜硅片連接，其中間部分形成真空參考腔；管帽蓋在金屬管座上，管帽下端與金屬管座周緣密封固接；多個(gè)傳感器引線分別由管針上端引出，與諧振梁膜硅片的金屬電極連接。所述的硅諧振式氣壓傳感器，其所述諧振梁膜硅片是梁膜一體結(jié)構(gòu)，材料是單晶硅，包括方形框架、壓力膜、多根支撐柱和多組諧振梁(1 ；方形框架下表面與下蓋基片上表面固接，多組諧振梁和壓力膜通過對(duì)同一硅片的正反兩面進(jìn)行的選擇性刻蝕形成，同時(shí)， 方形框架(9)、多根支撐柱在刻蝕工藝中成形；壓力膜剖面形狀呈C型杯狀，周緣與方形框架內(nèi)側(cè)壁固接，多組諧振梁兩端與方形框架上表面固接，每組諧振梁與壓力膜之間通過多根硅支撐柱支撐。所述的硅諧振式氣壓傳感器，其所述管帽的內(nèi)頂面上固設(shè)有永磁體，諧振梁的激勵(lì)方式是電磁激勵(lì)，由永磁體提供垂直于硅片平面方向的磁場，驅(qū)動(dòng)諧振梁沿硅片平面方向橫向振動(dòng)。所述的硅諧振式氣壓傳感器，其所述下蓋基片材料是單晶硅或鍵合玻璃；通過硅-玻璃真空鍵合或硅-硅真空粘性鍵合，下蓋基片、方型框架、諧振梁膜硅片結(jié)合成一體， 圍成真空參考腔。所述的硅諧振式氣壓傳感器，其所述支撐基片材料是單晶硅或鍵合玻璃，其尺寸小于下蓋基片，其上表面與下蓋基片下表面粘合在一起，下表面與金屬管座上表面粘合在一起；支撐基片位于下蓋基片的一角，對(duì)諧振梁膜硅片和下蓋基片的組合體形成懸臂支撐。所述的硅諧振式氣壓傳感器，其所述永磁體通過粘性膠與管帽內(nèi)頂面粘合在一起；管帽下端通過粘性膠與金屬管座周緣粘合在一起。所述的硅諧振式氣壓傳感器，其所述壓力膜上固支多組諧振梁，為四組，每組為一條梁，用于差分檢測；多根支撐柱，每條梁至少為三根支撐柱。本發(fā)明的特點(diǎn)1、下蓋基片與諧振梁膜硅片通過圓片級(jí)真空鍵合形成參考真空腔，硅諧振梁工作于待測大氣介質(zhì)中，解決真空密封、電極引線以及電絕緣等問題，大大降低封裝難度。待測大氣與參考真空腔之間的壓力差使壓力膜上固支的微結(jié)構(gòu)梁的軸向應(yīng)力發(fā)生改變，從而改變梁的諧振頻率，檢測該諧振頻率的變化實(shí)現(xiàn)氣壓的測量。2、由于壓力膜的位移方向垂直于硅片平面方向，采用橫向振動(dòng)模式，可有效減小壓力膜的運(yùn)動(dòng)與諧振梁的振動(dòng)之間的耦合干擾，減小結(jié)構(gòu)阻尼；采用電磁激勵(lì)，可避免靜電激勵(lì)電容檢測要求的極小的電容間隙，給諧振梁的振動(dòng)提供較大的空間，極大地減小壓膜阻尼。電磁激勵(lì)橫向振動(dòng)模式使諧振器在大氣介質(zhì)中具有較高的品質(zhì)因數(shù)，無需真空密封亦可保證較好的性能，滿足大氣氣壓的測量需求。3、在硅壓力膜上固支多組諧振梁，采用差分檢測，提高靈敏度，減小非線性度，通過較小的支撐基片固定在金屬管座上對(duì)傳感器芯片進(jìn)行懸臂支撐，有效隔離封裝應(yīng)力和熱應(yīng)力，進(jìn)一步提高器件穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明是一種基于微電子機(jī)械技術(shù)的硅諧振式氣壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；其中金屬管座1、支撐基片2、下蓋基片3、諧振梁膜硅片4、管帽5、導(dǎo)氣孔6、管針7、真空參考腔8、方形框架9、壓力膜10、支撐柱11、諧振梁12、永磁體13、引線14。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說明，應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。一種基于微電子機(jī)械技術(shù)的硅諧振式氣壓傳感器，其包括諧振梁膜硅片4、下蓋基片3、支撐基片2、金屬管座1和管帽5 ；其中，金屬管座1上置有多個(gè)管針7，并有一貫通的導(dǎo)氣孔6 ；支撐基片2下表面固定在金屬管座1上，上表面與下蓋基片3下表面連接，下蓋基片3上表面與諧振梁膜硅片4連接，其中間部分形成真空參考腔8 ；管帽5蓋在金屬管座 1上，管帽5下端與金屬管座1周緣密封固接；多個(gè)傳感器引線14分別由管針7上端引出，與諧振梁膜硅片4的金屬電極連接。諧振梁膜硅片4是梁膜一體結(jié)構(gòu)，材料是單晶硅，包括方形框架9、壓力膜10、多根支撐柱11和四組諧振梁12 ；方形框架9下表面與下蓋基片3上表面固接，四組諧振梁12和壓力膜10通過對(duì)同一硅片的正反兩面進(jìn)行的選擇性刻蝕形成，同時(shí)，方形框架9、多根支撐柱11在刻蝕工藝中成形；壓力膜10剖面形狀呈C型杯狀，周緣與方形框架9內(nèi)側(cè)壁固接， 四組諧振梁12兩端與方形框架9上表面固接，每組諧振梁12有一條梁，梁的下表面與壓力膜10之間通過三根硅支撐柱11支撐。
永磁體13通過粘性膠與管帽5內(nèi)頂面粘合在一起；管帽5下端通過粘性膠與金屬管座1周緣粘合在一起。諧振梁12的激勵(lì)方式是電磁激勵(lì)，由永磁體13提供垂直于硅片平面方向的磁場，驅(qū)動(dòng)諧振梁12沿硅片平面方向橫向振動(dòng)。下蓋基片3材料是單晶硅或鍵合玻璃；通過硅-玻璃真空鍵合或硅-硅真空粘性鍵合，下蓋基片3、方型框架9、諧振梁膜硅片4結(jié)合成一體，圍成真空參考腔8。支撐基片2材料是單晶硅或鍵合玻璃，其尺寸小于下蓋基片3，其上表面與下蓋基片3下表面粘合在一起，下表面與金屬管座1上表面粘合在一起；支撐基片2位于下蓋基片 3的一角，對(duì)諧振梁膜硅片4和下蓋基片3的組合體形成懸臂支撐。本發(fā)明提出的硅諧振式氣壓傳感器的一種制作方法1、取SOI硅片，表面氧化，下表面光刻并刻蝕出C型杯狀壓力膜10和方形框架9。2,SOI硅片上表面濺射金屬電極并圖形化，光刻并深刻蝕至SOI內(nèi)部氧化層，得到諧振梁12。3、HF緩沖溶液釋放諧振梁12得到支撐柱11，完成諧振梁膜硅片4的制作。4、諧振梁膜硅片4通過方形框架9與下蓋基片3進(jìn)行圓片級(jí)真空鍵合并形成真空參考腔8，完成鍵合圓片的制作。5、將第4步得到的鍵合圓片進(jìn)行劃片分割，得到氣壓傳感器小芯片，在氣壓傳感器小芯片背面一個(gè)角上用環(huán)氧膠與支撐基片2粘合，再與可伐金屬管座1粘合。6、引線壓焊，圓形釤鈷永磁體13粘在可伐管帽5上，蓋在可伐金屬管座1，可伐管帽5與管座1之間用環(huán)氧膠粘接。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種基于微電子機(jī)械技術(shù)的硅諧振式氣壓傳感器，其特征在于包括諧振梁膜硅片 G)、下蓋基片(3)、支撐基片O)、金屬管座(1)和管帽(5)；其中，金屬管座(1)上置有多個(gè)管針(7)，并有一貫通的導(dǎo)氣孔(6)；支撐基片( 下表面固定在金屬管座(1)上，上表面與下蓋基片C3)下表面連接，下蓋基片C3)上表面與諧振梁膜硅片(4)連接，其中間部分形成真空參考腔(8)；管帽(5)蓋在金屬管座(1)上，管帽(5)下端與金屬管座(1)周緣密封固接；多個(gè)傳感器引線(14)分別由管針(7)上端引出，與諧振梁膜硅片⑷的金屬電極連接。
2.如權(quán)利要求1所述的硅諧振式氣壓傳感器，其特征在于所述諧振梁膜硅片(4)是梁膜一體結(jié)構(gòu)，材料是單晶硅，包括方形框架(9)、壓力膜(10)、多根支撐柱(11)和多組諧振梁(1 ；方形框架(9)下表面與下蓋基片( 上表面固接，多組諧振梁(1 和壓力膜(10)通過對(duì)同一硅片的正反兩面進(jìn)行的選擇性刻蝕形成，同時(shí)，方形框架(9)、多根支撐柱(11)在刻蝕工藝中成形；壓力膜(10)剖面形狀呈C型杯狀，周緣與方形框架(9)內(nèi)側(cè)壁固接，多組諧振梁(1 兩端與方形框架(9)上表面固接，每組諧振梁(1 與壓力膜(10)之間通過多根硅支撐柱(11)支撐。
3.如權(quán)利要求1或2所述的硅諧振式氣壓傳感器，其特征在于所述管帽(5)的內(nèi)頂面上固設(shè)有永磁體(13)，諧振梁(1 的激勵(lì)方式是電磁激勵(lì)，由永磁體(1 提供垂直于硅片平面方向的磁場，驅(qū)動(dòng)諧振梁(1 沿硅片平面方向橫向振動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1所述的硅諧振式氣壓傳感器，其特征在于所述下蓋基片( 材料是單晶硅或鍵合玻璃；通過硅-玻璃真空鍵合或硅-硅真空粘性鍵合，下蓋基片( 、方型框架(9)、諧振梁膜硅片(4)結(jié)合成一體，圍成真空參考腔(8)。
5.如權(quán)利要求1所述的硅諧振式氣壓傳感器，其特征在于所述支撐基片(2)材料是單晶硅或鍵合玻璃，其尺寸小于下蓋基片(3)，其上表面與下蓋基片( 下表面粘合在一起，下表面與金屬管座(1)上表面粘合在一起；支撐基片( 位于下蓋基片( 的一角，對(duì)諧振梁膜硅片(4)和下蓋基片( 的組合體形成懸臂支撐。
6.如權(quán)利要求1或3所述的硅諧振式氣壓傳感器，其特征在于所述永磁體(1 通過粘性膠與管帽(5)內(nèi)頂面粘合在一起；管帽( 下端通過粘性膠與金屬管座(1)周緣粘合在一起。
7.如權(quán)利要求2所述的硅諧振式氣壓傳感器，其特征在于所述壓力膜(10)上固支多組諧振梁(12)，為四組，每組為一條梁，用于差分檢測；多根支撐柱(11)，每條梁至少為三根支撐柱(11)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微電子機(jī)械技術(shù)的硅諧振式氣壓傳感器，主要由諧振梁膜硅片、下蓋基片、支撐基片、金屬管座和管帽組成。下蓋基片與諧振梁膜硅片真空粘合形成參考真空腔，通過較小的支撐基片固定在金屬管座上以隔離封裝應(yīng)力和熱應(yīng)力，待測大氣與參考真空腔之間的壓力差使壓力膜上固支的微結(jié)構(gòu)梁的軸向應(yīng)力發(fā)生改變，從而改變梁的諧振頻率，檢測該諧振頻率的變化實(shí)現(xiàn)氣壓的測量。本發(fā)明將諧振器置于待測氣壓介質(zhì)中，大大降低封裝難度并通過懸臂支撐隔離封裝應(yīng)力和熱應(yīng)力，具有制作封裝簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適合高性能氣壓測量。
文檔編號(hào)G01L9/00GK102297741SQ20101021842
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者劉猛, 李玉欣, 毋正偉, 王軍波, 陳德勇 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所