專利名稱：一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石英諧振式壓力傳感器，特別涉及一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片。
背景技術(shù)：
市場上壓力傳感器主要有電容式、壓阻式及諧振式，電容式和壓阻式輸出的是模擬量，必須應(yīng)用高精度調(diào)理電路對微弱信號進(jìn)行處理，這些因素必然導(dǎo)致測量精度下降；而諧振式壓力傳感器是利用壓力變化來改變物體的諧振頻率，從而通過測量頻率變化來間接測量壓力，其輸出為準(zhǔn)數(shù)字頻率信號，具有測量精度高，靈敏度高、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)，并且適用于長距離傳輸而不會降低其精度等優(yōu)點(diǎn)，比較適合對壓力進(jìn)行高精度檢測。石英諧振式壓力傳感器具有品質(zhì)因數(shù)高、重復(fù)性好、沒有遲滯、時間穩(wěn)定性好、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，成為諧振式傳感器中常見的一種類型，但目前國內(nèi)外市場上主要是采用傳統(tǒng)機(jī)械加工的石英諧振式壓力傳感器，體積大并且很難實(shí)現(xiàn)對微壓的高精度測量，尤其在生物醫(yī)學(xué)、航天等對傳感器體積、重量有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，傳統(tǒng)機(jī)械加工的石英諧振式壓力傳感器表現(xiàn)出明顯的不足。利用MEMS技術(shù)制造的微壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)成為世界范圍內(nèi)具有戰(zhàn)略性的研究領(lǐng)域。而目前國內(nèi)外對MEMS諧振式壓力傳感器的研究主要是硅微諧振式壓力 傳感器，傳感器的彈性元件和敏感元件均采用硅材料，利用硅工藝加工，不足在于很難加工出復(fù)雜的高品質(zhì)因數(shù)的諧振器結(jié)構(gòu)，并且對諧振器的激勵和檢測都比較困難。結(jié)合石英諧振式壓力傳感器和MEMS壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明采用高精度石英梁作為諧振器，MEMS加工的硅基底作為壓力轉(zhuǎn)換元件，利用石英晶體的壓電特性很容易實(shí)現(xiàn)對石英梁諧振器進(jìn)行壓電激勵和壓電檢測，可廣泛應(yīng)用于風(fēng)洞測試，航空航天等領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提出一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，采用各向異性腐蝕和ICP刻蝕技術(shù)制作硅基底和石英梁，具有高靈敏度、高精度、高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，包括石英梁7，石英梁7通過低應(yīng)力粘接膠8粘接在硅基底I的正面上，石英梁7的四個對角分別與硅基底I正面上的四個對準(zhǔn)標(biāo)記12-1、12-2、12-3、12-4對準(zhǔn)，硅基底I的背面與玻璃基底9封接在一起，玻璃基底9的正面腐蝕了凹槽11，凹槽11的中心加工了一壓力孔10，壓力孔10與大氣相通，或者與另一被測氣源相通形成差壓式傳感器；所述的硅基底I正面經(jīng)過ICP刻蝕形成U型凹槽2-1和矩形凹槽2-2，正面未被刻蝕區(qū)域形成了矩形粘接凸臺4和兩根硅梁，兩根硅梁為第一硅梁6-1、第二硅梁6-2，矩形粘接凸臺4和硅基底I的外圍分別制作了第一對準(zhǔn)標(biāo)記12-1、第二對準(zhǔn)標(biāo)記12-2和第三對準(zhǔn)標(biāo)記12-3、第四對準(zhǔn)標(biāo)記12-4，硅基底I的背面腐蝕凹腔形成一個硅島5，經(jīng)正面和背面腐蝕后，硅基底I上的U型凹槽2-1和矩形凹槽2-2所對應(yīng)的區(qū)域即構(gòu)成壓力敏感膜3。所述的石英梁7由兩端的第一基座13-1、第二基座13-2和中間腐蝕了矩形凹槽的兩根單梁14-1、14-2構(gòu)成，第一基座13-1上表面覆蓋有兩壓焊塊，分別為第一壓焊塊15-1和第二壓焊塊15-2，第一單梁14-1和第二單梁14-2的四周均覆蓋有電極，并且電極分別與第一壓焊塊15-1和第二壓焊塊15-2連通，第一基座13-1、第二基座13-2、第一單梁14_1和第二單梁14-2的材料均為石英晶體，第一壓焊塊15-1、第二壓焊塊15-2以及兩根單梁四周覆蓋的電極材料為均為金或銀，石英梁7的厚度為8(Γ200μπι。所述的U型凹 槽2-1和矩形凹槽2-2的刻蝕深度為6(Γ100 μ m,且刻蝕深度一致。所述的壓力敏感膜3的厚度為3(Γ60 μ m。所述的第一娃梁6_1、第二娃梁6_2寬度為10CT300 μ m,且寬度一致。所述的凹槽11刻蝕深度為30 50 μ m。所述的四個對準(zhǔn)標(biāo)記12-1、12-2、12-3、12-4圍成的矩形區(qū)域與石英梁7的四個對角所圍成的區(qū)域大小一致。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:采用石英梁作為諧振器，具有品質(zhì)因數(shù)高、重復(fù)性好、穩(wěn)定性好、沒有遲滯，容易實(shí)現(xiàn)壓電激勵與檢測等優(yōu)點(diǎn)，利用石英的這些特性，設(shè)計(jì)的石英梁諧振式壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率測量，更為關(guān)鍵的是，利用石英的正逆壓電效應(yīng)，很容易激勵石英梁至諧振狀態(tài)，并通過檢測電路檢測其諧振頻率；而采用MEMS工藝制作硅基底具有尺寸精度好、可靠性高、成本低等硅微傳感器所具有的優(yōu)良特性，硅基底正面設(shè)計(jì)粘接凸臺和背面設(shè)計(jì)硅島可以提高線性度，正面設(shè)計(jì)兩根硅梁可以提高傳感器靈敏度，石央梁一端粘接在壓力敏感I吳外圍，另一端粘接在壓力敏感I吳中央，粘接更各易，穩(wěn)定性好，另外背面設(shè)計(jì)的硅島還起過載保護(hù)作用，結(jié)合石英梁和硅基底二者的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明設(shè)計(jì)制作的硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器具有精度高、分辨率高、線性度好、穩(wěn)定性好、抗過載等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明芯片結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為硅基底I的正面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為硅基底I的背面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為石英梁7的結(jié)構(gòu)示意圖以及諧振時梁的振型。圖5為芯片過載保護(hù)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。參照圖1，一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，包括石英梁7，石英梁7通過低應(yīng)力粘接膠8粘接在硅基底I的正面上，石英梁7的四個對角分別與硅基底I正面上的四個對準(zhǔn)標(biāo)記12-1、12-2、12-3、12-4對準(zhǔn)，硅基底I的背面與玻璃基底9封接在一起，玻璃基底9的正面腐蝕了凹槽11，凹槽11的中心加工了一壓力孔10 ；
經(jīng)封裝后的芯片正面與外界的待測氣體相通，感受被測壓力，芯片背面玻璃上的壓力孔10與大氣相通形成表壓傳感器，或者壓力孔10與另一被測氣源相通形成差壓式傳感器。參照圖2，所述的硅基底I正面通過ICP刻蝕形成U型凹槽2-1和矩形凹槽2_2，刻蝕深度相同，均為6(Γ100 μ m，正面未被刻蝕區(qū)域形成了矩形粘接凸臺4和兩根相同的第一硅梁6-1、第二硅梁6-2，寬度為10(Γ300μπι，設(shè)計(jì)兩根硅梁可以有效增加石英梁中的應(yīng)力，提高傳感器·靈敏度，矩形粘接凸臺4和硅基底I的外圍分別制作了第一對準(zhǔn)標(biāo)記12-1、第二對準(zhǔn)標(biāo)記12-2和第三對準(zhǔn)標(biāo)記12-3、第四對準(zhǔn)標(biāo)記12-4，四個對準(zhǔn)標(biāo)記完全相同，寬度為20 40 μ m。參照圖3，所述的硅基底I的背面濕法腐蝕凹腔形成一個硅島5，經(jīng)正面和背面腐蝕后，硅基底I上的U型凹槽2-1和矩形凹槽2-2所對應(yīng)的區(qū)域即構(gòu)成壓力敏感膜3，壓力敏感膜3的厚度為3(Γ60 μ m。參照圖4，所述的石英梁7由兩端的基座13-1、13-2和中間腐蝕了矩形凹槽的兩根單梁14-1、14-2構(gòu)成，第一基座13-1上表面覆蓋有兩壓焊塊，分別為第一壓焊塊15-1和第二壓焊塊15-2，第一單梁14-1和第二單梁14-2的四周均覆蓋有電極，并且電極分別與第一壓焊塊15-1和第二壓焊塊15-2連通，第一基座13-1、第二基座13-2、第一單梁14_1和第二單梁14-2的材料均為石英晶體，第一壓焊塊15-1、第二壓焊塊15-2以及兩根單梁四周覆蓋的電極材料一致，材料均為金或銀，石英梁7的厚度為8(Γ200 μ m。石英梁7上的電極與激勵檢測電路連通后，利用石英晶體的逆壓電效應(yīng)，石英梁閉環(huán)自激振蕩，諧振時的振動模態(tài)沿石英梁的寬度方向。參照圖5，當(dāng)外界壓力過大時，硅島5與玻璃基底9上的凹槽11底部接觸，起過載保護(hù)作用，防止石英梁7或壓力敏感膜3由于應(yīng)力過大而破壞。本發(fā)明的原理是:外界待測氣體壓力P作用在芯片的壓力敏感膜3正面上，大氣壓力或第二氣體壓力P。通過壓力孔10作用在壓力敏感膜3背面上，在正反面壓力差的作用下，壓力敏感膜3產(chǎn)生變形，該變形導(dǎo)致石英梁7彎曲變形，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，由于石英梁7的固有頻率對應(yīng)力變化極為敏感，忽略溫度的影響，在一定范圍內(nèi)，固有頻率與內(nèi)部應(yīng)力幾乎成線性關(guān)系，在小撓度變形情況下，石英梁7的兩根單梁14-1、14-2中的應(yīng)力與壓力敏感膜3正反面的壓力差Λ P成正比，石英梁7的諧振頻率與待測氣體表壓具有較好的線性關(guān)系，因而通過檢測石英梁7的諧振頻率的變化可以實(shí)現(xiàn)測量待測氣體表壓或差壓的目的。石英梁7的兩根單梁14-1、14-2四周均覆蓋有電極，在激勵電路控制下，利用石英的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動石英梁7自激振蕩，當(dāng)振動頻率等于石英梁7的固有頻率時發(fā)生諧振，在閉環(huán)正反饋控制系統(tǒng)下對諧振頻率進(jìn)行檢測，諧振頻率的變化量表征待測氣體壓力的大小，從而實(shí)現(xiàn)外界待測氣體壓力的測量。
權(quán)利要求
1.一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，包括石英梁(7)，其特征在于:石英梁(7 )通過低應(yīng)力粘接膠(8 )粘接在硅基底(I)的正面上，石英梁(7 )的四個對角分別與硅基底(I)正面上的四個對準(zhǔn)標(biāo)記(12-1 )、( 12-2)、( 12-3)、( 12-4)對準(zhǔn)，硅基底(I)的背面與玻璃基底(9)封接在一起，玻璃基底(9)的正面腐蝕了凹槽(11)，凹槽(11)的中心加工了一壓力孔(10)，壓力孔(10)與大氣相通，或者與另一被測氣源相通形成差壓式傳感器； 所述的硅基底(I)正面經(jīng)過ICP刻蝕形成U型凹槽(2-1)和矩形凹槽(2-2)，正面未被刻蝕區(qū)域形成了矩形粘接凸臺(4)和兩根硅梁，兩根硅梁為第一硅梁(6-1)、第二硅梁(6-2)，矩形粘接凸臺(4)和硅基底(I)的外圍分別制作了第一對準(zhǔn)標(biāo)記(12-1)、第二對準(zhǔn)標(biāo)記(12-2)和第三對準(zhǔn)標(biāo)記(12-3)、第四對準(zhǔn)標(biāo)記(12-4)，硅基底(I)的背面腐蝕凹腔形成一個硅島(5 )，經(jīng)正面和背面腐蝕后，硅基底(I)上的U型凹槽(2-1)和矩形凹槽(2-2 )所對應(yīng)的區(qū)域即構(gòu)成壓力敏感膜(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，其特征在于:所述的石英梁(7)由兩端的第一基座(13-1)、第二基座(13-2)和中間腐蝕了矩形凹槽的兩根單梁(14-1), (14-2)構(gòu)成，第一基座(13-1)上表面覆蓋有兩壓焊塊，分別為第一壓焊塊(15-1)和第二壓焊塊(15-2 )，第一單梁(14-1)和第二單梁(14-2 )的四周均覆蓋有電極，并且電極分別與第一壓焊塊(15-1)和第二壓焊塊(15-2)連通，第一基座(13-1)、第二基座(13-2)、第一單梁(14-1)和第二單梁(14-2)的材料均為石英晶體，第一壓焊塊(15-1)、第二壓焊塊(15-2)以及兩根單梁四周覆蓋的電極材料為均為金或銀，石英梁(7)的厚度為8(Γ200μπι。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，其特征在于:所述的U型凹槽(2-1)和矩形凹槽(2-2)的刻蝕深度為6(Γ 00μπι，且刻蝕深度一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，其特征在于:所述的壓力敏感膜(3)的厚度為3(Γ60μπι。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，其特征在于:所述的第一娃梁(6-1)、第二娃梁(6-2)寬度為100 300 μ m,且寬度一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，其特征在于:所述的凹槽(11)刻蝕深度為3(Γ50μπι。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，其特征在于:所述的四個對準(zhǔn)標(biāo)記(12-1)、(12-2)、(12-3)、(12-4)圍成的矩形區(qū)域與石英梁(7)的四個對角所圍成的區(qū)域大小一致。
全文摘要
一種硅基單島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器芯片，包括石英梁，石英梁通過低應(yīng)力粘接膠粘接在硅基底的正面上，石英梁的四個對角分別與硅基底正面上的四個對準(zhǔn)標(biāo)記對準(zhǔn)，硅基底的背面與玻璃基底封接在一起，玻璃基底的正面腐蝕了凹槽，凹槽的中心加工了一壓力孔，壓力孔與大氣相通形成表壓式傳感器，或者與另一被測氣源相通形成差壓式傳感器，硅基底的背面腐蝕凹腔形成一個硅島，利用石英的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動石英梁自激振蕩，當(dāng)振動頻率等于石英梁的固有頻率時發(fā)生諧振，在閉環(huán)正反饋控制系統(tǒng)下對諧振頻率進(jìn)行檢測，諧振頻率的變化量表征待測氣體壓力的大小，從而實(shí)現(xiàn)外界待測氣體壓力的測量，本發(fā)明具有高靈敏度、高精度、高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01L9/08GK103115720SQ20131001627
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者趙玉龍, 程榮俊 申請人:西安交通大學(xué)