專利名稱：一種利用靜電負(fù)剛度的壓力傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力傳感器，尤其是涉及一種利用靜電負(fù)剛度的壓力傳感器及其制作方法。
背景技術(shù)：
基于微機(jī)電(MEMS)技術(shù)的娃微諧振式壓力傳感器是目前精度最高的娃微壓力傳感器，它通過檢測(cè)微結(jié)構(gòu)固有頻率的變化間接測(cè)量壓力，為準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，既能與計(jì)算機(jī)直接相連，也容易組成直接顯示數(shù)字的儀表。硅微諧振式傳感器的精度主要受振動(dòng)結(jié)構(gòu)機(jī)械特性的影響，因此其抗電子干擾能力很強(qiáng)，性能穩(wěn)定。除此之外，硅微諧振式壓力傳感器還具有響應(yīng)快、頻帶寬、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、可批量生產(chǎn)等眾多優(yōu)點(diǎn)，一直是各國(guó)研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。目前，已知的硅微諧振式壓力傳感器的基本原理是壓力敏感膜在外界壓力作用下產(chǎn)生形變，這種形變通過壓力敏感膜與諧振結(jié)構(gòu)之間的連接結(jié)構(gòu)，傳遞到諧振結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致諧振結(jié)構(gòu)的剛度發(fā)生變化，進(jìn)而影響諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率，此諧振頻率通過電容檢測(cè)等方法被外圍電路獲得，從而建立了輸出頻率和輸入壓力的關(guān)系。以上工作原理使得該類諧振結(jié)構(gòu)起碼要雙端 甚至多端固支，將導(dǎo)致此類結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因子難以達(dá)到懸臂梁諧振結(jié)構(gòu)可達(dá)到的十萬量級(jí)。該類諧振結(jié)構(gòu)存在另外一個(gè)重要問題是溫度的變化會(huì)引起壓力敏感膜的形變，該形變最終也會(huì)影響輸出的諧振頻率，造成壓力測(cè)量的溫度誤差，給高精度壓力傳感器的設(shè)計(jì)增大了難度。硅微諧振式壓力傳感器的驅(qū)動(dòng)電路通常為交直流疊加電壓信號(hào)。此信號(hào)中的直流電壓將產(chǎn)生與移動(dòng)位移同向的靜電力，此力與彈性恢復(fù)力相反，即此靜電力的等效剛度為負(fù)值，此剛度和其他與彈性恢復(fù)力相反的靜電等效剛度統(tǒng)稱為靜電負(fù)剛度(高鐘毓.靜電場(chǎng)藕合微機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001, 37 (3):97-101)。直流電壓產(chǎn)生的靜電負(fù)剛度與產(chǎn)生靜電力的電容極板正對(duì)面積成正比、與直流電壓幅值的平方成正比、與基板間距的三次方成反比。若能在壓力敏感膜和懸臂諧振結(jié)構(gòu)之間形成產(chǎn)生靜電負(fù)剛度的靜電力，那么在壓力敏感膜與懸臂諧振結(jié)構(gòu)之間就可以建立非接觸的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化傳遞方式，就可有效避免壓力敏感膜熱形變?cè)斐傻妮敵鲱l率誤差，同時(shí)可利用懸臂諧振結(jié)構(gòu)得到高品質(zhì)因子的諧振結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供利用靜電負(fù)剛度原理在壓力敏感膜與諧振結(jié)構(gòu)之間建立非接觸的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化傳遞方式，同時(shí)利用懸臂諧振結(jié)構(gòu)獲得高的品質(zhì)因子，可顯著提高測(cè)量精度、降低設(shè)計(jì)和制造難度的一種利用靜電負(fù)剛度的壓力傳感器及其制作方法。本發(fā)明所述利用靜電負(fù)剛度的壓力傳感器，自下而上設(shè)有壓力敏感層、懸臂式諧振層、真空封裝蓋層和電極；壓力敏感層中部設(shè)有壓力敏感膜，壓力敏感層上端與懸臂式諧振層下端連接，懸臂式諧振層為框式結(jié)構(gòu)，懸臂式諧振層設(shè)有帶質(zhì)量塊的懸臂梁，帶質(zhì)量塊的懸臂梁由懸臂式諧振層的邊框內(nèi)側(cè)向內(nèi)延伸至中央，懸臂梁的質(zhì)量塊位于壓力敏感膜的正上方；懸臂式諧振層的邊框上端與真空封裝蓋層下端連接；電極包括驅(qū)動(dòng)硅電極、檢測(cè)硅電極、接地電極和直流偏壓金屬電極，驅(qū)動(dòng)硅電極和檢測(cè)硅電極設(shè)于真空封裝蓋層下端且位于懸臂梁正上方，接地電極設(shè)于壓力敏感層上，直流偏壓金屬電極設(shè)于真空封裝蓋層上，驅(qū)動(dòng)硅電極和檢測(cè)硅電極均設(shè)有引線電極，接地電極與外部電路連接且共地；所述壓力敏感層為硅壓力敏感層，所述懸臂式諧振層為硅懸臂式諧振層，所述真空封裝蓋層為玻璃等絕緣真空封裝蓋層。所述壓力敏感膜的厚度可根據(jù)傳感器量程和靈敏度的要求變化調(diào)整。所述懸臂梁與壓力敏感膜之間的間距大于懸臂梁長(zhǎng)度的1%。所述質(zhì)量塊上開有減小壓膜阻尼的孔，孔的形狀可為圓形或多邊形。所述驅(qū)動(dòng)硅電極、檢測(cè)硅電極與懸臂梁之間的間距大于懸臂梁與壓力敏感膜之間的間距。本發(fā)明所述壓力傳感器的制作方法，包括以下步驟:I)光刻膠做掩膜，用噴砂打孔工藝在玻璃片上加工出電極孔和引線缺口，之后去掉光刻膠；2)將經(jīng)步驟I)加工后的玻璃片與硅片通過鍵合等工藝連接，然后將硅片通過濕法腐蝕或研磨拋光工藝減薄到設(shè)定厚度，再用干法刻蝕或濕法腐蝕出驅(qū)動(dòng)硅電極和檢測(cè)硅電極，制作成真空封裝蓋層；3)采用金屬或氧化硅做掩膜，然后通過光刻腐蝕等工藝在金屬或氧化硅掩膜上開出掩膜窗口，再用濕法單面腐蝕出懸臂式諧振層上下表面的盲槽，兩槽底之間的厚度就是懸臂梁的厚度；
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4)用光刻膠做掩膜干法刻蝕出懸臂式諧振層的引線缺口、帶質(zhì)量塊的懸臂梁，之后去掉光刻膠，制作成懸臂式諧振層；5)用氧化硅層或氮化硅做掩膜，單面腐蝕出壓力敏感膜和接地電極，制作成壓力敏感層；6)將壓力敏感層上端與懸臂式諧振層下端用熔硅鍵合工藝或粘接工藝連接到一起，形成壓力敏感層與懸臂式諧振層的組合片；7)將步驟6)所得組合片與真空封裝蓋層通過陽極鍵合工藝或粘接工藝連接到一起，形成壓力敏感層、懸臂式諧振層與真空封裝蓋層的三層組合片；8)將步驟7)所得三層組合片裝于硬板夾具中，通過濺射或蒸鍍金屬工藝得到覆蓋接地電極的金屬層、驅(qū)動(dòng)硅電極的引線電極、檢測(cè)硅電極的引線電極以及直流偏壓金屬電極，得利用靜電負(fù)剛度的壓力傳感器。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的有益效果如下:I)利用靜電負(fù)剛度，在諧振結(jié)構(gòu)和壓力敏感膜之間建立非接觸的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化傳遞方式，從而可有效避免壓力敏感膜熱形變?cè)斐傻妮敵鲱l率誤差，提高傳感器的測(cè)量精度；2)利用懸臂諧振結(jié)構(gòu)得到高品質(zhì)因子的諧振結(jié)構(gòu)，使輸出信號(hào)的信噪比提高，降低外圍電路設(shè)計(jì)難度；3)利用靜電負(fù)剛度可由施加直流電壓改變的特點(diǎn)得到諧振頻率可調(diào)的諧振結(jié)構(gòu)，使傳感器的使用頻率可適當(dāng)避開使用環(huán)境的頻率限制；4)采用簡(jiǎn)單的懸臂諧振結(jié)構(gòu)以及成熟的熔硅鍵合和陽極鍵合等工藝，使傳感器的工藝難度降低，提高了生產(chǎn)效率。


圖1為本發(fā)明所述壓力傳感器實(shí)施例的外觀結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所述壓力傳感器實(shí)施例的部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所述壓力傳感器實(shí)施例的分解結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明所述壓力傳感器實(shí)施例的壓力敏感層結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明所述壓力傳感器實(shí)施例的懸臂式諧振層結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為圖1所示壓力傳感器實(shí)施方案的真空封裝蓋層示意圖；圖7的(I) (8)為本發(fā)明實(shí)施例所述壓力傳感器的制備流程示意圖。在圖1 7中，各標(biāo)記表示:1.壓力敏感層；2.懸臂式諧振層；3.真空封裝蓋層；11.壓力敏感膜；12.接地電極；21.邊框；22.懸臂梁；23.質(zhì)量塊；24.懸臂式諧振層引線缺口 ；31.電極孔；32.驅(qū)動(dòng)硅電極；33.檢測(cè)硅電極；34.真空封裝蓋層引線缺口 ；41.直流偏壓金屬電極；42.驅(qū)動(dòng)硅電極金屬引線電極；43.檢測(cè)硅電極金屬引線電極。
具體實(shí)施例方式參見圖1 7，本發(fā)明實(shí)施例所述壓力傳感器設(shè)有壓力敏感層1、懸臂式諧振層2、真空封裝蓋層3和電極；壓力敏感層1、懸臂式諧振層2和真空封裝蓋層3由下至上設(shè)置。壓力敏感層I中部設(shè)有壓力敏感膜11，壓力敏感層I上端與懸臂式諧振層2下端連接。懸臂式諧振層2為框式結(jié)構(gòu)，懸臂式諧振層2設(shè)有帶質(zhì)量塊23的懸臂梁22，帶質(zhì)量塊23的懸臂梁22由懸臂式諧振層的邊框內(nèi)側(cè)向內(nèi)延伸至中央，懸臂梁22的質(zhì)量塊23位于壓力敏感膜11的正上方；懸臂式諧振層2的邊框上端與真空封裝蓋層3下端連接。電極包括驅(qū)動(dòng)硅電極32、檢測(cè)硅電極33、接地電極12和直流偏壓金屬電極41，驅(qū)動(dòng)硅電極32和檢測(cè)硅電極33設(shè)于真空封裝蓋層3下端且位于懸臂梁22正上方，接地電極12設(shè)于壓力敏感層I上，直流偏壓金屬電極41設(shè)于真空封裝蓋層3上，驅(qū)動(dòng)硅電極32設(shè)有驅(qū)動(dòng)硅電極金屬引線電極42，檢測(cè)硅電極33設(shè)有檢測(cè)硅電極金屬引線電極43，接地電極12與外部電路連接且共地。所述壓力敏感層I為硅壓力敏感層，所述懸臂式諧振層2為硅懸臂式諧振層，所述真空封裝蓋層3為玻璃真空封裝蓋層。所述壓力敏感膜11的厚度可根據(jù)傳感器量程和靈敏度的要求變化調(diào)整。所述懸臂梁22與壓力敏感膜11之間的間距大于懸臂梁22長(zhǎng)度的百分之一。所述的質(zhì)量塊23上開有減小壓膜阻尼的小孔(各圖中未畫出)，小孔形狀可為圓形、矩形或其他多邊形。所述驅(qū)動(dòng)硅電極32、檢測(cè)硅電極33與懸臂梁22之間的間距大于懸臂梁22與壓力敏感膜11之間的間距。本發(fā)明實(shí)施例所述的壓力傳感器的制作方法包括以下步驟:1光刻膠做掩膜，用噴砂打孔工藝在與硅膨脹系數(shù)相近的玻璃片上加工出電極孔31和引線缺口 34，之后去掉光刻膠；2)將經(jīng)步驟I)加工后的玻璃片與硅片通過鍵合等工藝連接，然后將硅片通過濕法腐蝕或研磨拋光工藝減薄到設(shè)定厚度，再用干法刻蝕或濕法腐蝕出驅(qū)動(dòng)硅電極32和檢測(cè)娃電極33,制作成真空封裝蓋層3 ；3)采用金屬或氧化硅做掩膜，然后通過光刻腐蝕等工藝在金屬或氧化硅掩膜上開出掩膜窗口，再用濕法單面腐蝕出懸臂式諧振層2上下表面的盲槽，兩槽底之間的厚度就是懸臂梁的厚度；4)用光刻膠做掩膜干法刻蝕出懸臂式諧振層的引線缺口 24、帶質(zhì)量塊23的懸臂梁22，之后去掉光刻膠，制作成懸臂式諧振層2 ；5)用氧化硅層或氮化硅層做掩膜，單面腐蝕出壓力敏感膜11和接地電極12，制作成壓力敏感層I ;6)將壓力敏感層I上端與懸臂式諧振層2下端用熔硅鍵合工藝或粘接工藝連接到一起，形成壓力敏感層I與懸臂式諧振層2的組合片；7)將步驟6)所得組合片與真空封裝蓋層3通過陽極鍵合工藝或粘接工藝連接到一起，形成壓力敏感層1、懸臂式諧振層2與真空封裝蓋層3的三層組合片；8)將步驟7)所得三層組合片裝于硬板夾具中，通過濺射或蒸鍍金屬工藝得到覆蓋接地電極12的金屬層、驅(qū)動(dòng)硅電極32的引線電極42、檢測(cè)硅電極33的引線電極43以及直流偏壓金屬電極41，從而完成本發(fā)明所述壓力傳感器的制作。本發(fā)明實(shí)施例所述壓力傳感器的工作原理如下:將壓力敏感層I上·的接地電極12通過金屬引線與外部電路連接且共地，在直流偏壓金屬電極41上施加一定幅度的直流電壓使懸臂式諧振層2帶有直流偏壓，在驅(qū)動(dòng)硅電極金屬引線電極42上施加一定幅值的交直流疊加電壓信號(hào)可驅(qū)動(dòng)懸臂梁22諧振，將檢測(cè)硅電極金屬引線電極43連接外圍頻率信號(hào)檢測(cè)電路。當(dāng)外界壓力作用在壓力敏感膜11上時(shí)，壓力敏感膜11發(fā)生形變，產(chǎn)生面外的撓度，使壓力敏感膜11和質(zhì)量塊23之間的距離減小，在直流偏壓的作用下，與質(zhì)量塊23相連的懸臂梁22上的靜電負(fù)剛度值發(fā)生變化，懸臂梁22的諧振頻率進(jìn)而會(huì)發(fā)生變化，質(zhì)量塊23與檢測(cè)硅電極33之間的電容變化頻率發(fā)生變化，電容變化頻率的變化通過與檢測(cè)引線電極43相連接的外圍電路檢測(cè)而獲得，從而建立諧振頻率變化與壓力變化的比例關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種利用靜電負(fù)剛度的壓力傳感器，其特征在于設(shè)有壓力敏感層、懸臂式諧振層、真空封裝蓋層和電極；壓力傳感器由下至上設(shè)置為三層式結(jié)構(gòu)，底層為壓力敏感層，中層為懸臂式諧振層，上層為真空封裝蓋層；壓力敏感層中部設(shè)有壓力敏感膜，壓力敏感層上端與懸臂式諧振層下端連接，懸臂式諧振層為框式結(jié)構(gòu)，懸臂式諧振層設(shè)有帶質(zhì)量塊的懸臂梁，帶質(zhì)量塊的懸臂梁由懸臂式諧振層的邊框內(nèi)某處向內(nèi)延伸至中央，懸臂梁的質(zhì)量塊位于壓力敏感膜的正上方；懸臂式諧振層的邊框上端與真空封裝蓋層下端連接；電極包括驅(qū)動(dòng)硅電極、檢測(cè)硅電極、接地電極和直流偏壓金屬電極，驅(qū)動(dòng)硅電極和檢測(cè)硅電極設(shè)于真空封裝蓋層下端且位于懸臂梁正上方，接地電極設(shè)于壓力敏感層上，直流偏壓金屬電極設(shè)于真空封裝蓋層上，驅(qū)動(dòng)硅電極和檢測(cè)硅電極均設(shè)有引線電極，接地電極與外部電路連接且共地；所述壓力敏感層為硅壓力敏感層，所述懸臂式諧振層為硅懸臂式諧振層，所述真空封裝蓋層為玻璃等絕緣真空封裝蓋層。
2.如權(quán)利要求1所述的一種利用靜電負(fù)剛度的壓力傳感器，其特征在于所述所述懸臂梁與壓力敏感膜之間的間距大于懸臂梁長(zhǎng)度的1%。
3.如權(quán)利要求1所述的一種利用靜電負(fù)剛度的壓力傳感器，其特征在于所述的質(zhì)量塊上設(shè)有減小壓膜阻尼的孔。
4.如權(quán)利要求1所述的一種利用靜電負(fù)剛度的壓力傳感器，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)硅電極、檢測(cè)硅電極與懸臂梁之間的間距大于懸臂梁與壓力敏感膜之間的間距。
5.一種利用靜電負(fù)剛度的壓力傳感器的制作方法，其特征在于包括以下步驟: 1)光刻膠做掩膜，用噴砂打孔工藝在玻璃片上加工出電極孔和引線缺口，之后去掉光刻膠; 2)將經(jīng)步驟I)加工后的玻璃片與硅片通過鍵合等工藝連接，然后將硅片通過濕法腐蝕或研磨拋光工藝減薄到設(shè)定厚度，再用干法刻蝕或濕法腐蝕出驅(qū)動(dòng)硅電極和檢測(cè)硅電極，制作成真空封裝蓋層； 3)采用金屬或氧化硅做掩膜，然后通過光刻腐蝕等工藝在金屬或氧化硅掩膜上開出掩膜窗口，再用濕法單面腐蝕出懸臂式諧振層上下表面的盲槽，兩槽底之間的厚度就是懸臂梁的厚度； 4)用光刻膠做掩膜干法刻蝕出懸臂式諧振層的引線缺口、帶質(zhì)量塊的懸臂梁，之后去掉光刻膠，制作成懸臂式諧振層； 5)用氧化硅層或氮化硅做掩膜，單面腐蝕出壓力敏感膜和接地電極，制作成壓力敏感層； 6)將壓力敏感層I上端與懸臂式諧振層下端用熔硅鍵合工藝或粘接工藝連接到一起，形成壓力敏感層與懸臂式諧振層的組合片； 7)將步驟6)所得組合片與真空封裝蓋層通過陽極鍵合工藝或粘接工藝連接到一起，形成壓力敏感層、懸臂式諧振層與真空封裝蓋層的三層組合片； 8)將步驟7)所得三層組合片裝于硬板夾具中，通過濺射或蒸鍍金屬工藝得到覆蓋接地電極的金屬層、驅(qū)動(dòng)硅電極的引線電極、檢測(cè)硅電極的引線電極以及直流偏壓金屬電極，得利用靜電負(fù)剛度的壓力傳感器。
全文摘要
一種利用靜電負(fù)剛度的壓力傳感器及其制作方法，涉及壓力傳感器。傳感器自下而上設(shè)壓力敏感層、懸臂式諧振層、真空封裝蓋層和電極。光刻膠做掩膜，在玻璃片上加工電極孔和引線缺口，再與硅片連接，腐蝕出驅(qū)動(dòng)硅電極和檢測(cè)硅電極；在金屬或氧化硅掩膜上開掩膜窗口，再腐蝕出懸臂式諧振層上下表面的盲槽；刻蝕出懸臂式諧振層的引線缺口、帶質(zhì)量塊的懸臂梁；用氧化硅層或氮化硅做掩膜，單面腐蝕出壓力敏感膜和接地電極，制成壓力敏感層，上端與懸臂式諧振層下端連接形成組合片，再與真空封裝蓋層連接形成三層組合片，裝于硬板夾具，通過濺射或蒸鍍得覆蓋接地電極的金屬層、驅(qū)動(dòng)硅電極的引線電極、檢測(cè)硅電極的引線電極以及直流偏壓金屬電極得傳感器。
文檔編號(hào)G01L9/00GK103234669SQ201310106170
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者孫道恒, 杜曉輝, 王凌云, 蔡建法, 王小萍 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)