專利名稱：Mems壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS壓力傳感器，具體涉及感測諧振MEMS器件的空腔內(nèi)的壓力。
技術(shù)背景
在MEMS制造過程中，通常將微結(jié)構(gòu)封裝在密閉的微空腔內(nèi)，以保持真空條件以便 MEMS器件的正確操作。微空腔具有非常小的體積(典型地200X200X2 μ m3)，漏氣或放氣 很容易破壞真空。因此，重要的是具有一種在產(chǎn)品發(fā)布期間、在產(chǎn)品工藝的資格審核期間、 或甚至在諧振MEMS器件的操作期間監(jiān)控微空腔中的壓力的裝置。
圖1示出了頻率為25. 8MHz的體模式計(jì)時(shí)諧振器(bulk mode timing resonator) 的振蕩幅度(S12)的壓力依賴性。對于IOmbar(IkPa)以上的壓力，諧振幅度開始劣化。
從圖1中可以看出，當(dāng)壓力范圍在Imbar以上時(shí)，由于空氣阻尼，適于用作MEMS振 蕩器的計(jì)時(shí)器件的高頻(HF)諧振器(高達(dá)IOOMHz，但是典型地對于彎曲模式諧振器而言比 對于體模式諧振器而言低)具有有限的Q因子。起到計(jì)時(shí)器件作用的諧振器應(yīng)當(dāng)給出恒定 的性能(穩(wěn)定的振蕩頻率和足夠的振蕩幅度)，因此需要在真空中的操作。因此，與HF計(jì)時(shí) 器件自身相比，用于在批量生產(chǎn)中測試MEMS諧振器的空腔真空的壓力傳感器應(yīng)當(dāng)對較低 的壓力更靈敏。如果可能的話，還應(yīng)當(dāng)將壓力傳感器集成在MEMS微空腔中。
已知多種壓力傳感器構(gòu)思，例如
皮拉尼熱線(pirani heat wire)，基于氣體的熱導(dǎo)率；
膜片(diaphragm)，基于隔膜偏轉(zhuǎn)；
熱和冷陰極，基于氣體的電離化。然而，如在MEMS器件中一樣，對于高縱橫比小型 化，需要非常高的磁場以達(dá)到足夠長的電子路徑，從而對于氣體壓力靈敏；
石英和硅的諧振懸臂和音叉，基于氣體的阻尼力。
如諧振器和陀螺儀一樣，諧振MEMS器件的性能的壓力依賴性是阻尼效應(yīng)的結(jié)果。 運(yùn)動方程是
m*a+b*v+k*x = F(1)
其中
m是有效諧振器質(zhì)量；
a是加速度；
b是阻尼系數(shù)；
ν是速度；
k是彈簧常數(shù)；
χ是位移；以及
F是驅(qū)動力，如，電極間隙上的靜電力。
對于角軍 χ = Asin (ω *t)，(2)
彈簧的勢能項(xiàng)的幅度與以下成比例
m*A* ω2(3)
在以下替換之后對于力的動能也是如此
co2 = k/m。(4)
同時(shí)阻尼項(xiàng)具有幅度
b*A* ω。(5)
如果阻尼項(xiàng)(5)與動能項(xiàng)(3)相當(dāng)，則阻尼很大。對于越高頻率的器件，阻尼相對 越低?；谠撛?，得到了用于測量振幅或耗散的變化的壓力傳感器。然而，機(jī)械諧振器的 運(yùn)動電阻隨時(shí)間并不十分穩(wěn)定，這使得在隨時(shí)間測量絕對壓力尤其是低壓力的過程中這些 諧振器是不可靠的。
因此，需要一種壓力傳感器方法，該方法更穩(wěn)定，并且可以使用與需要壓力感測的 MEMS器件所使用的技術(shù)相同的技術(shù)來容易地實(shí)現(xiàn)該方法。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于感測MEMS器件附近的壓力的MEMS壓力傳感器，包 括
具有壓力傳感器諧振器元件的單片諧振MEMS器件，所述壓力傳感器諧振器元件 包括開口陣列，其中，諧振MEMS器件的諧振頻率是壓力傳感器附近的壓力的函數(shù)，諧振頻 率隨壓力而增大，使得在0到0. IkPa的壓力范圍上，頻率的平均相對變化是至少10_6/Pa。
在本文中，至少10_6的頻率相對變化是指頻率從f增大到f+Af，其中，Δ是至少 1(Γ6。這還可以被看作是頻率的少量變化(fractional change)。
該器件示出了在壓力增大的情況下增大的諧振頻率。空腔中的氣體起到附加彈 簧的作用，并引起硬化。優(yōu)選地，使用窄蝕刻縫隙(narrow etch slit)和盤穿孔(plate perforation)來防止氣體在振蕩期間從諧振器間隙逸出。受阻尼的MEMS諧振器的諧振頻 移在毫巴(lmbar = 0. IkPa)范圍(努森狀態(tài)，Knudsen regime)內(nèi)。
本發(fā)明基于以下認(rèn)識對于快速振蕩，彈力引起諧振頻率發(fā)生移位。因此，可以由 其諧振頻率對壓力靈敏的器件來感測壓力。
優(yōu)選地，壓力傳感器諧振器元件的開口具有在0. 2 μ m到1 μ m范圍內(nèi)的最大開口 尺寸，以及在5 μ m到20 μ m范圍內(nèi)的平均間距。壓力傳感器諧振器元件可以具有在1 μ m 到3 μ m范圍內(nèi)的厚度以及在100 μ m2到40，000 μ m2范圍內(nèi)的面積。
這些參數(shù)用于調(diào)諧壓力傳感器諧振器元件的響應(yīng)，以給出諧振頻率的期望的壓力 依賴性。
優(yōu)選地，在0到0. OlkPa的壓力范圍上，甚至在0到0. OOlkPa的壓力范圍上，頻率 的平均相對變化是至少10—71^。因此，在極端低的壓力下也可以進(jìn)行壓力感測。
優(yōu)選地，在0到10_5kPa(10_4mbar)的壓力范圍上，質(zhì)量(Q)因子隨壓力的增大而單 調(diào)減小。因此，基于幅度感測，Q因子還可以用作測量參數(shù)。
壓力傳感器可以還包括用于測量壓力傳感器諧振器元件的電阻以起到皮拉尼元 件的作用的裝置。
可以通過壓電電阻性、電容性或光學(xué)感測方法來讀出諧振頻率。此外，可以提供 PLL振蕩器來隨壓力變化而跟蹤諧振頻率和/或相位。
本發(fā)明還提供了一種MEMS器件，包括在密封空腔內(nèi)的諧振器件MEMS元件；以及本發(fā)明的壓力傳感器，用于測量空腔壓力。
在一個(gè)實(shí)例中，可以使用分離的諧振器元件；一個(gè)諧振器元件用于MEMS器件(例 如，諧振器或振蕩器)，一個(gè)諧振器元件用于壓力傳感器。然而，(MEMS器件的)諧振MEMS 元件可以包括被控制為以橫向模式(體模式形狀)振動的MEMS諧振器元件，該相同的MEMS 諧振器元件也可以被控制為以垂直諧振模式(平面外模式形狀)振動，以形成MEMS壓力傳 感器的諧振元件。這樣，單個(gè)諧振器元件可以執(zhí)行MEMS器件功能以及壓力傳感器功能。諧 振器元件在被控制為以橫向模式振動時(shí)可以包括起到計(jì)時(shí)器件或頻率參考作用的體模式 諧振器。
本發(fā)明還提供了一種測量MEMS器件附近在0. IkPa以下的壓力的方法，包括
監(jiān)控單片諧振MEMS器件的諧振頻率，所述單片諧振MEMS器件具有壓力傳感器諧 振器元件，所述壓力傳感器諧振器元件包括開口陣列，其中，諧振MEMS器件的諧振頻率是 空腔中壓力的函數(shù)，諧振頻率隨壓力而增大，使得在0到0. IkPa的壓力范圍上，頻率的平均 相對變化是至少10_6/Pa。
這種壓力感測方法可以用于確定具有密閉空腔的MEMS器件中的缺陷。


現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例，附圖中
圖1示出了體模式計(jì)時(shí)諧振器的振蕩幅度的壓力依賴性；
圖2示出了彈力常數(shù)和阻尼常數(shù)的頻率依賴性；
圖3a示出了 MEMS諧振器的兩個(gè)示例，其中，阻尼力支配彈力，引起圖北的圖中所 示的幅度減??；
圖4示出了具有頂部電極的硅MEMS壓力傳感器的示例；
圖5示出了如典型地應(yīng)用在HF計(jì)時(shí)器件中的方盤和狗骨形諧振器，所述方盤和狗 骨形諧振器可以用作本發(fā)明的壓力傳感器；
圖6示出了圖5的方盤和狗骨形諧振器的更詳細(xì)布局；
圖7示出了對于不同的壓力，圖6的方盤諧振器示例的幅度的頻率特性；
圖8示出了對于不同壓力，圖6的方盤諧振器示例的相位的頻率特性；
圖9示出了對如在狗骨形諧振器示例上測量的頻移的壓力靈敏度；
圖10示出了如在狗骨形壓力傳感器示例上測量的Q因子的壓力靈敏度；以及
圖11示出了在壓力增大的情況下偏離低壓力基準(zhǔn)頻率的諧振頻率。
具體實(shí)施方式
如上所述，可以認(rèn)識到，可以利用對諧振器信號的幅度或耗散進(jìn)行監(jiān)控，來指示壓 力。本發(fā)明基于不同的監(jiān)控機(jī)制，該監(jiān)控機(jī)制影響諧振頻率。如果諧振器結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣體薄 膜無法足夠快速地逸出，則這將對彈簧常數(shù)k作出貢獻(xiàn)。
可以假定對于0. IkI^a范圍內(nèi)的壓力，S卩，在努森氣體的狀態(tài)內(nèi)，不考慮粘性 (viscosity)，氣體分子的平均自由程大于器件尺寸(ΒΡ，>100μπι)。
在運(yùn)動方程(1)中，可以將阻尼系數(shù)b和彈簧常數(shù)k分解為來自(硅)結(jié)構(gòu)的貢 獻(xiàn)bmat和由于氣體阻尼而引起的貢獻(xiàn)bgas。
b = bmat+bgas (6)
k = kmat+kgas (7)
阻尼系數(shù)bgas和彈力系數(shù)kgas由以下給出
(8) V α )\ + {ωτ)
if It^(9) Iv α )\λ-{ωτ)
其中
P是器件內(nèi)部的氣體壓力；
A是諧振器的正面面積；
d是諧振器到致動電極的間隙寬度；
ω是諧振器的諧振頻率；以及
τ是器件空腔內(nèi)氣體的擴(kuò)散時(shí)間。
在 Μ. A. G. Suijlen、J. J. Koning、Μ. A. J van Gils、H. C. W. Beijerinck 的 Squeeze film damping in the free molecular region with full thermal accommodation,Proc. Eurosensors XXII, 2008 中說明了這一點(diǎn)。
該擴(kuò)散時(shí)間是在平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于間隙寬度的稀薄氣體中分子從諧振器間隙 逸出的時(shí)間。
在這些常量相對于頻率ω的曲線圖中，可以看出擠壓膜相互作用(squeeze film interaction)的特點(diǎn)，如圖2所示。
圖2示出了由于擠壓膜相互作用而引起的彈力常數(shù)(實(shí)線)和阻尼常數(shù)(虛線) 的頻率依賴性。下標(biāo)“squeeze”用于表示常用的擠壓膜阻尼，而公式中使用“gas”，在這里 意義相同。
對于非常慢的振蕩，ω << 1/ τ，其自身表現(xiàn)為純幅度阻尼力。
圖3a示出了具有這種特性的MEMS諧振器的示例。阻尼力(幅度b*co)支配超 過了彈力，引起幅度減小(參見圖北的諧振峰值)。因此，可以根據(jù)幅度測量來估計(jì)壓力。 該方法具有缺陷，因?yàn)榉炔⒉豢偸强稍佻F(xiàn)的，在Imbar以上的靈敏度變得有限，如圖北所 示。因此，圖3的示例是由于耗散(幅度b* )支配超過了動能而使得頻率不依賴于壓力 的器件。這是ω* τ << 1狀態(tài)(參見圖2)，其中空氣可以通過盤穿孔容易地逸出。
對于快速振蕩，ω >> 1/τ，阻尼力變成添加到彈簧常數(shù)的彈力，如等式(7)所 示。機(jī)械器件振蕩得過快以至于氣體無法逸出。
本發(fā)明基于阻尼力與壓力之間的聯(lián)系、以及得到的彈簧常數(shù)變化對諧振頻率的影 響。
本發(fā)明提供了一種單片諧振壓力傳感器，以感測諸如HF計(jì)時(shí)諧振器等體模式諧 振MEMS器件的微空腔中的壓力。壓力傳感器比HF計(jì)時(shí)諧振器自身對較低的壓力更靈敏。 本發(fā)明可以被實(shí)現(xiàn)為空腔中分離的MEMS諧振器，或者可以通過使用不同的諧振模式而將 MEMS計(jì)時(shí)諧振器自身用作壓力傳感器。所述不同的諧振模式可以是諧振MEMS器件的垂直 諧振模式(折曲模式或彎曲模式)，而諧振MEMS器件通常工作在橫向體模式諧振下。這避 免了在相同的微空腔內(nèi)具有第二個(gè)MEMS器件。
諧振頻率用于感測壓力，該諧振頻率可以在幾百千赫或更低的范圍內(nèi)。本發(fā)明的 壓力傳感器依賴于使頻率隨壓力而發(fā)生移位的氣體壓力的強(qiáng)彈力。
在0到0. IkPa的壓力范圍上，頻率的平均相對變化至少是因子10_6/!^。因此，在 0到0. IkPa的范圍上，至少有因子10_4(即，IOOppm)的相對變化。少量變化對壓力的斜率 越陡峭，越容易確定壓力。優(yōu)選地，在0到0. IkPa的范圍上，頻率的平均變化可以是多于 10"5/Pa的因子，甚至高達(dá)10_4/Pa，S卩，在0到0. IkPa的范圍上，相應(yīng)地多于IOOOppm因子以 及高達(dá)10，OOOppm的變化。
可以通過不同的常規(guī)方法從壓力傳感器讀出諧振信號。實(shí)質(zhì)上，有兩種可能的方 法
諧振器類型，其中，可以通過阻抗分析器來探測諧振，以跟蹤諧振頻率；或者
振蕩器類型，其中，反饋放大器或PLL的輸出可以用于跟蹤諧振頻率。
可以通過諸如電容性、壓電電阻性或光學(xué)讀出機(jī)制等多種機(jī)制來讀出諧振器位 移。最常見的是電容性讀出系統(tǒng)。
在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，MEMS器件包括密封空腔內(nèi)的主器件的諧振MEMS元件，所述諧 振MEMS元件被控制為以橫向模式(體模式)振動。用于測量空腔壓力的壓力傳感器使用 相同的但是被控制為以垂直諧振模式振動的MEMS諧振器元件。
為了激勵(lì)垂直諧振模式，除了針對體模式的橫向驅(qū)動電極以外，還提供了頂部電 極。備選地，諧振器元件下方的基底接觸(substrate contact)可以用于激勵(lì)。
圖4示意性地示出了適于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的壓力傳感器的結(jié)構(gòu)的示例。
對于體模式，諧振器元件40由橫向電極42來致動，而對于垂直壓力感測模式，諧 振器元件40由頂部電極44來致動。可以通過利用電絕緣氣密膜46蓋在諧振器上并在電 絕緣氣密膜46的上面沉積金屬層44，來制造頂部電極44。
垂直模式下的頻率響應(yīng)取決于諧振器元件40的設(shè)計(jì)，具體地，取決于諧振器元件 的孔口(orifice)，因?yàn)檫@些會影響阻尼特性。假定均勻的開口(opening)陣列，以下表格 示出了硅MEMS壓力傳感器的示例制造規(guī)范。
參數(shù)固定的/可變的最小值最大值正面諧振器面 積(A)可變的ΙΟχΙΟμηι2160χ160μηι2諧振器厚度(t)固定的1.5μιη1.5μηι間隙寬度(d)固定的Ι.ΟμπιΙ.Ομπι蝕刻孔尺寸(1)可變的0.2μηιΙμηι蝕刻孔間距(h)可變的5μπιΙΟμπι
從固定元素由所使用的工藝來確定的意義上來講，固定元素是固定的，而可變參 數(shù)是在工藝中可以使用合適的掩模來選擇的。然而，“固定”參數(shù)也可以具有不同值，例如，諧振器元件厚度在1 μ m到3 μ m的范圍內(nèi)，諧振器元件以上或以下的間隙寬度在1 μ m至IJ 3μπι范圍內(nèi)。面積通?？梢栽?00 μ Hi2到40，000 μ Hi2的范圍內(nèi)。
圖5示出了典型地應(yīng)用在HF計(jì)時(shí)器件中的方盤和狗骨形諧振器。該圖示意性地 示出了由于垂直彎折模式而非橫向體模式下的操作而引起的偏轉(zhuǎn)(deflection)，以便實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明的壓敏傳感器設(shè)計(jì)的示例。
圖6示出了圖5的硅方盤和狗骨形諧振器的更詳細(xì)布局。暗區(qū)域表示用于橫向體 模式下的諧振器操作的電極。
壓力傳感器可以用于感測內(nèi)部空腔壓力、或用于在空腔閉合之前感測環(huán)境壓力、 或用于在空腔沒有閉合的情況下感測環(huán)境壓力。例如，為了檢測外部壓力，可以提供通過基 底的排氣孔，或者可以省略在密封工藝中閉合蝕刻孔的步驟。因此，本發(fā)明可以用于形成用 于在毫巴范圍內(nèi)的外部壓力感測的器件。
基于對未覆蓋的(即，沒有圖4的覆蓋層44)諧振器示例的分析，來示出這些器件 的特性。這意味著微空腔打開，使得外部施加到真空腔室的壓力可以被控制并且隨控制參 數(shù)而變化，從而使得可以得到壓力傳感器的特性。
圖7示出了針對不同壓力的方盤諧振器的幅度的頻率特性。頻率隨壓力而增大， 但是峰值幅度減小。
圖8示出了針對不同壓力的方盤諧振器的相位的頻率特性。
圖9示出了基于如在狗骨形諧振器示例上測量的頻移測量而得到的壓力靈敏度。
在0.4mbar(0.04kPa)以上，由于在該壓力以上阻尼減小了幅度，所以以5伏而不 是2伏的偏置電壓來測量狗骨諧振器示例上的壓力靈敏度結(jié)果。因此，偏置電壓可以用于 補(bǔ)償頻率峰值幅度隨壓力的增大而減小。這導(dǎo)致圖9中0.4mbar左右的較小偏移。在沒有 該輕微偏移(在圖9中可以看到)的情況下，函數(shù)幾乎是完美的線性的。
為了得到壓力與頻率靈敏度之間的唯一的關(guān)系(Af/f)，可以調(diào)整電極偏置幅度。
圖10示出了如在狗骨形諧振器示例上測量的質(zhì)量因子的壓力靈敏度。
這示出了在較高壓力下，幅度監(jiān)控和頻率監(jiān)控都是優(yōu)選的，或者幅度監(jiān)控是優(yōu)選 的而頻率監(jiān)控不是。
在晶片級預(yù)測試中在晶片上的壓力監(jiān)控可以利用阻抗分析器來確定晶片上多個(gè) 諧振器的諧振頻率。該工具在測試加工(test fabs)中是標(biāo)準(zhǔn)可用的。
由于工藝擴(kuò)展(process spread)，晶片上預(yù)期有幾百ppm的頻率擴(kuò)展。狗骨形諧 振器示例示出了 4X10_5/Pa(4000ppm/mbar)左右的壓力對頻率靈敏度。
如果采用500ppm的任意工藝擴(kuò)展，則將得到在小于0. 02kPa(0. 2mbar)壓力下的 測量擴(kuò)展。在該范圍之外的值將被空腔壓力測試所拒絕。高頻計(jì)時(shí)模式的諧振也可能不起 作用，從而整個(gè)諧振器器件會有缺陷。這樣，對各個(gè)單獨(dú)器件上壓力感測模式的阻抗分析器 測試是用于檢測晶片上故障器件的靈敏測試。因此該方法對于在晶片級識別有缺陷的器件 或微空腔、防止組裝和封裝的額外成本來說是有用的。
對于微空腔氣密性和放氣的資格認(rèn)證，希望有六周的有限時(shí)間跨度。所需的壽命 跨度可以是10年(大約600周)，從而資格測試應(yīng)當(dāng)對于漏氣和放氣比對于HF計(jì)時(shí)器件的 IkPa的所需壓力更靈敏。利用圖9的靈敏度，將清楚該方法可以用作可靠性測試的能力。
傳感器可以用于在開放式封裝的情況下感測0. 05Pa到0. IkPa范圍內(nèi)的外部壓力。這可以用于壓力傳感器校準(zhǔn)，或使得可以使用傳感器來進(jìn)行外部壓力監(jiān)控，例如用于監(jiān) 控工藝條件。這可以與壓力傳感器校準(zhǔn)相結(jié)合。與目前針對Imbar范圍的隔膜壓力傳感器 不同，該器件在突然暴露于1個(gè)大氣壓(大約IkPa)下的情況下不會被破壞。
如上所述，如圖10所示，Q因子靈敏度也可以用作壓力讀出。這可能需要定期校 準(zhǔn)，因?yàn)橹C振器的幅度可能隨時(shí)間不是很穩(wěn)定。
壓力傳感器也可以用作皮拉尼元件。通過限定經(jīng)由錨(anchor)通過諧振器而經(jīng) 過器件的電流，諧振器被加熱。懸掛的支撐體的熱電阻是由于硅引起的。因?yàn)橹误w窄(在 本發(fā)明情況下是2μπι)且薄(1.5μπι)并且長度為3μπι(可變的設(shè)計(jì)，可以更短或更長)，所 以熱電阻變大(大約lOOOOK/Watt)。諧振器的溫度可以是不均勻的。對于皮拉尼元件來說 典型的是，氣體的熱導(dǎo)率使得熱的元件根據(jù)氣體壓力而冷卻。
諧振頻率取決于氣體壓力，因此諧振器梁可以用作皮拉尼元件，尤其適于用在高 壓下。
圖11示出了在壓力增大的情況下偏離低壓力基準(zhǔn)頻率的諧振頻率。
對于圖11所示的高壓，當(dāng)諧振已變得非常寬廣時(shí)，電阻的測量也可以用于感測 皮拉尼元件的溫度，而諧振器根本不需要諧振。電阻與溫度有關(guān)，并且電阻將根據(jù)周圍 氣體的熱導(dǎo)率而變化。在 S.Bendida、J. J. Koning、J. J. Μ· Bontemps、J. Τ. M. van Beek、 D. ffu> M. A. J. van Gils 禾口 S. Nath 的 Temperature stability of a piezoresistive MEMS resonator including self-heating, Microelectronics Reliability,48(2008), PP1227-1231中公開了電阻與溫度的關(guān)系。
這將壓力傳感器器件的靈敏范圍擴(kuò)展到了高壓。
利用器件的自加熱，可以穩(wěn)定彈簧阻尼壓力傳感器的溫度，以降低壓力傳感器的 靈敏度。
本發(fā)明特別關(guān)注于單獨(dú)器件密閉空腔中真空壓力的探測，使得可以在不需要額外 壓力傳感器設(shè)計(jì)的情況下對每個(gè)微空腔壓力進(jìn)行質(zhì)量測試。
傳感器使得可以通過利用阻抗分析器測量垂直諧振模式，來對HF諧振器進(jìn)行晶 片級MEMS器件測試。與封裝之后再進(jìn)行最終測試相比，晶片級測試更節(jié)約成本，這是因?yàn)?晶片級測試需要更少的測試時(shí)間、更少的封裝處理，并且對于可以在晶片級測試中被取消 資格的器件來說沒有封裝和最終測試成本。封裝和測試成本可能大約占總成本的15%。
全電容性系統(tǒng)是有利的，因?yàn)槿娙菪韵到y(tǒng)比類似的熱/皮拉尼傳感器和/或熱 絲極(filament)消耗更少的功率。
本發(fā)明使用阻尼的彈簧效應(yīng)。頻移不取決于檢測到的幅度。因此，壓力傳感器器 件對于機(jī)械彈簧引起的阻尼來說并不是關(guān)鍵的。
良好的質(zhì)量因子提高頻率分辨率，因?yàn)榱己玫馁|(zhì)量因子給出了較尖銳的峰值。這 使得壓力傳感器的動態(tài)范圍擴(kuò)展到低得多的壓力?？梢詫?shí)現(xiàn)10-4/ 量級上的頻移的壓 力靈敏度。該非常高的靈敏度(104ppm/mbar)取決于壓力。例如，質(zhì)量因子可以限制頻譜 中峰值的分辨率，例如限制到大約10_7Pa(100ppm/mbar)。這意味著可以確定壓力下降到 10_2mbar。采用較小的間隙和MEMS排氣孔，可以進(jìn)一步將壓力優(yōu)化到至少10_3mbar。
表面微機(jī)械加工提高了制造精度，從而可以提高對低壓力的靈敏度。
本發(fā)明的壓力傳感器與許多微結(jié)構(gòu)布局兼容。標(biāo)準(zhǔn)CMOS鑄造中的便宜工藝處理9是可能的。如上所述，利用六周(預(yù)期壽命的 1%)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品發(fā)布測試的可靠性測試是 可行的。
可以將器件制造成單片(monolithic)的。該器件比組裝的壓力傳感器受溫度膨 脹的影響更小，溫度膨脹會引起應(yīng)力，從而導(dǎo)致諧振頻率的移位。
與隔膜壓力傳感器相比，本發(fā)明的器件提供了以下優(yōu)點(diǎn)性能不受層應(yīng)力和封裝 應(yīng)力的影響，因?yàn)殪`敏度受所設(shè)計(jì)的懸掛的限制。
即使為正被監(jiān)控的MEMS諧振器器件提供分離的諧振器，CMOS集成也仍然可行。
傳感器的響應(yīng)在亞毫巴壓力范圍上是線性的。本發(fā)明可以用在用于處理、研究和 制造的所有類型的真空設(shè)備中。
在高壓力下，當(dāng)諧振器的質(zhì)量因子變低并且諧振峰變得過寬以至于無法實(shí)現(xiàn)靈敏 的壓力測量時(shí)，該器件可以用作皮拉尼元件。電阻測量可以用于確定壓力。由于低壓力下頻 移的精確檢測以及高壓力下的皮拉尼元件，動態(tài)范圍可以高達(dá)五十倍程(five decades) 0 使用通過器件的自加熱電流，可以穩(wěn)定溫度以降低壓力傳感器的靈敏度。
壓力傳感器可以免受由于真空系統(tǒng)故障所引起的突然的大氣壓而遭到破壞?？梢?使壓力傳感器的諧振元件固定以免受如在空間發(fā)射過程中或在離心機(jī)中經(jīng)歷的嚴(yán)重的重 力?？梢酝ㄟ^使用電子反饋控制回路來實(shí)現(xiàn)這種固定，以保持位移恒定，其中所述電子反饋 控制回路保持感測電極至感測諧振器的電容值。響應(yīng)時(shí)間可以在微秒的量級上，以測量或 控制殘留氣體壓力的快速暫態(tài)，由于微瓦的功耗，傳感器可以工作在超低溫度下。可能的小 型化和低成本意味著能夠在維護(hù)有限的傳感器頭部內(nèi)置冗余，例如在核或空間應(yīng)用中。
本發(fā)明提供了一種例如使用表面微機(jī)械加工的硅基底而形成的單片結(jié)構(gòu)。通過諧 振器開口對掩埋氧化層的濕蝕刻或干蝕刻執(zhí)行犧牲蝕刻工藝。開口還提供了諧振器設(shè)計(jì)的 額外的自由度，可以根據(jù)諧振器是要工作在具有壓敏頻移的擠壓膜阻尼狀態(tài)下還是要工作 在幅度敏感狀態(tài)下，來選擇開口的設(shè)計(jì)?？椎臄?shù)目隨功能的不同而不同。
盡管可以為不同的功能提供分離的器件，然而仍然尤為感興趣的是將一個(gè)諧振器 元件雙重地用作空腔真空監(jiān)視器和HF振蕩器。工作在低頻平面外模式形狀下的諧振器元 件給出卓越的真空壓力感測能力，以測試高頻振蕩器應(yīng)用所需的空腔真空。在高頻模式下， 元件工作在體模式形狀下。適于激勵(lì)平面外模式形狀的器件使得可以通過諸如LCR計(jì)量器 之類的常見測試工具來對(雙重用途的)諧振器元件進(jìn)行晶片級功能測試。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說各種修改是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種用于感測MEMS器件附近的壓力的MEMS壓力傳感器，包括具有壓力傳感器諧振器元件GO)的單片諧振MEMS器件，所述壓力傳感器諧振器元件 (40)包括開口陣列，其中，諧振MEMS器件的諧振頻率是壓力傳感器附近的壓力的函數(shù)，諧 振頻率隨壓力而增大，使得在0到0. IkPa的壓力范圍上，頻率的平均相對變化是至少10_6/ Pa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中，壓力傳感器諧振器元件GO)的開口具有 在0. 2μπι到Iym范圍內(nèi)的最大開口尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓力傳感器，其中，壓力傳感器諧振器元件00)的開口 具有在5 μ m到20 μ m范圍內(nèi)的平均間距。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的壓力傳感器，其中，壓力傳感器諧振器 元件^))具有在1 μ m到3 μ m范圍內(nèi)的厚度以及在100 μ m2到40，000 μ m2范圍內(nèi)的面積。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的壓力傳感器，其中，在0到0.Olltfa的壓 力范圍上，頻率的平均相對變化是至少10_6/Pa，優(yōu)選地，在0到0. OOlkPa的壓力范圍上，頻 率的平均變化是至少10_6/Pa。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的壓力傳感器，其中，在0到10_5kPa的壓 力范圍上，Q因子隨壓力的增大而單調(diào)減小。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的壓力傳感器，還包括用于測量壓力傳 感器諧振器元件的電阻以起到皮拉尼元件的作用的裝置。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的壓力傳感器，其中，諧振頻率是通過壓 電電阻性、電容性或光學(xué)感測方法來讀出的。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的壓力傳感器，還包括PLL振蕩器，用于 隨壓力變化而跟蹤諧振頻率和/或相位。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的壓力傳感器，其中，壓力傳感器諧振器 元件GO)處于開放的腔室中，以感測腔室附近的環(huán)境壓力。
11.一種MEMS器件，包括在密封空腔內(nèi)的諧振器件MEMS元件00)；以及如權(quán)利要求 1至9中任一項(xiàng)所述的壓力傳感器，用于測量空腔壓力。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中，單個(gè)MEMS諧振器元件00)被控制為以橫向模 式振動，以起到器件諧振器元件的作用，以及被控制為以垂直諧振模式振動，以起到壓力傳 感器諧振元件的作用。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的器件，其中，諧振器元件在被控制為以橫向模式振動時(shí)包 括起到計(jì)時(shí)器件或頻率參考作用的體模式諧振器。
14.一種測量MEMS器件附近在0. IkPa以下的壓力的方法，包括監(jiān)控單片諧振MEMS器件的諧振頻率，所述單片諧振MEMS器件具有壓力傳感器諧振器 元件(40)，所述壓力傳感器諧振器元件00)包括開口陣列，其中，諧振MEMS器件的諧振頻 率是空腔中壓力的函數(shù)，諧振頻率隨壓力而增大，使得在0到0. IkPa的壓力范圍上，頻率的 平均相對變化是至少10_6/Pa。
15.一種確定具有密閉空腔的MEMS器件中的缺陷的方法，包括使用如權(quán)利要求14所 述的方法來測量密閉空腔中的壓力。
全文摘要
一種用于感測MEMS器件的密閉空腔中的壓力的MEMS壓力傳感器，包括具有壓力傳感器諧振器元件的諧振MEMS器件，所述壓力傳感器諧振器元件包括開口陣列。諧振MEMS器件的諧振頻率是空腔中的壓力的函數(shù)，諧振頻率隨壓力而增大。在0到0.1KPa的壓力范圍上，頻率的平均相對變化是至少10-6/Pa。本發(fā)明基于以下認(rèn)識對于快速振蕩，彈力使諧振頻率移位。因此，可以由其諧振頻率對壓力靈敏的器件來感測壓力。
文檔編號G01L9/00GK102032970SQ20101051273
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月7日
發(fā)明者揚(yáng)·雅各布·科寧, 赫爾曼·西恩拉德·威廉·貝吉林克, 馬菲積斯·斯維倫 申請人:Nxp股份有限公司