本技術(shù)涉及電子核心產(chǎn)業(yè)中敏感元件及傳感器制造，尤其涉及一種壓電諧振式壓力傳感器、壓力補償系統(tǒng)及制備方法。

背景技術(shù)：

1、壓力傳感器可以按照一定的規(guī)律將接收的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將電信號輸出至其他設(shè)備，屬于敏感元件。壓力傳感器廣泛應(yīng)用于國防、汽車、石油、航空航天、智能硬件等技術(shù)領(lǐng)域，屬于電子核心產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。

2、隨著微機電系統(tǒng)(mems，micro-electro-mechanical?system)技術(shù)的發(fā)展，壓力傳感器可以和微機電系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)壓力傳感器的批量生產(chǎn)，提高壓力傳感器的生產(chǎn)效率。

3、根據(jù)工作原理的不同，壓力傳感器可以分為諧振式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、壓電諧振式壓力傳感器等。其中，壓電諧振式壓力傳感器具有穩(wěn)定性好、精確度較高等的優(yōu)點，可以適用于對精度要求較高、工作環(huán)境較為惡劣的場景。

4、基于現(xiàn)有壓電諧振式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)，壓電諧振式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、檢測效率較低并且檢測范圍較小。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供一種壓電諧振式壓力傳感器、壓力補償系統(tǒng)及制備方法，其能夠通過諧振結(jié)構(gòu)的諧振頻率的變化來檢測壓力，提高測量的精度，并且由于結(jié)構(gòu)相對簡單，更容易實現(xiàn)微型化和批量化生產(chǎn)。

2、第一方面，本技術(shù)提供了一種壓電諧振式壓力傳感器，應(yīng)用于電子核心產(chǎn)業(yè)，所述壓電諧振式壓力傳感器包括：

3、壓電組件，直接或間接地與外接電路連接；

4、諧振結(jié)構(gòu)，與所述壓電組件連接，所述諧振結(jié)構(gòu)具有諧振薄膜；

5、壓力敏感結(jié)構(gòu)，設(shè)置在所述諧振薄膜背離所述壓電組件的一側(cè)；

6、所述壓力敏感結(jié)構(gòu)靠近所述諧振薄膜的一側(cè)開設(shè)有至少一個諧振腔，所述諧振薄膜封閉或者不封閉至少部分所述諧振腔，所述壓力敏感結(jié)構(gòu)背離所述諧振薄膜的一側(cè)開設(shè)有壓力腔，所述壓力腔接收的壓力能夠傳遞至所述諧振結(jié)構(gòu)上的所述諧振薄膜；

7、所述壓力敏感結(jié)構(gòu)朝向所述壓電組件的方向上，至少一個所述諧振腔的投影處于所述壓力腔的投影外側(cè)。

8、上述結(jié)構(gòu)中壓力腔的開設(shè)可以形成壓力敏感薄膜，諧振腔的設(shè)置形成諧振薄膜，壓力敏感薄膜可以疊設(shè)在部分諧振結(jié)構(gòu)以及部分壓電組件上，形成厚度更高且具有的壓力敏感功能的薄膜結(jié)構(gòu)，此時，由較厚的壓力敏感薄膜直接承受壓力，并通過諧振腔側(cè)邊以及整個壓力敏感薄膜上整合疊層結(jié)構(gòu)傳遞至諧振薄膜、壓電組件上的應(yīng)力，轉(zhuǎn)換為諧振薄膜、壓電組件上的應(yīng)力。為了保證靈敏度，諧振薄膜、壓電組件通常較薄，不能較大壓力帶來的軸向應(yīng)力，上述結(jié)構(gòu)解決了該問題，提高了結(jié)構(gòu)的承壓能力，擴大了壓力檢測范圍，保證了結(jié)構(gòu)在壓力測量范圍的線性度。并且由于本技術(shù)壓電諧振式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)通過mems工藝集成為一體，可以更容易微型化，更容易實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

9、本技術(shù)示例提供的壓電諧振式壓力傳感器可以承受較大的待檢測壓力，從而提高了壓電諧振式壓力傳感器測量壓力的范圍，擴大了壓電諧振式壓力傳感器的測量范圍，使得壓電諧振式壓力傳感器可以廣泛應(yīng)用于電子核心產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。

10、在一些示例中，所述壓力敏感結(jié)構(gòu)包括：

11、壓力敏感部，設(shè)于所述諧振結(jié)構(gòu)背離所述壓電組件的一側(cè)，至少一個所述諧振腔開設(shè)于所述壓力敏感部；

12、壓力接收部，與所述壓力敏感部一體設(shè)置，所述壓力接收部設(shè)置在所述壓力敏感部背離所述諧振結(jié)構(gòu)的一側(cè)，所述壓力腔開設(shè)于所述壓力接收部；

13、所述壓力敏感部的中部設(shè)置有壓力敏感薄膜，所述壓力敏感薄膜的一側(cè)處于所述壓力腔內(nèi)，所述壓力腔接收到的外部壓力作用在所述壓力敏感薄膜上。

14、壓力敏感結(jié)構(gòu)包括一體設(shè)置的壓力敏感部和壓力接收部。其中，壓力接收部可以設(shè)置有兩層，分別為較薄的過渡層和較厚的主體層，此處的層結(jié)構(gòu)不是實體上的層結(jié)構(gòu)，而是為了體現(xiàn)壓力腔和諧振腔開設(shè)位置的模擬層結(jié)構(gòu)，壓力敏感結(jié)構(gòu)本身就是一個一體的整體結(jié)構(gòu)，比如一體式的si晶片。其中，諧振腔開設(shè)在壓力敏感部，壓力腔開設(shè)在主體層，過渡層是位于諧振腔和壓力腔之間區(qū)域的過渡部分。壓力敏感部與諧振結(jié)構(gòu)連接，諧振腔開設(shè)于壓力敏感部，諧振結(jié)構(gòu)支撐于諧振腔周圍，壓力腔開設(shè)于主體層。

15、一體設(shè)置的壓力敏感部、過渡層和主體層可以形成本技術(shù)的壓力敏感結(jié)構(gòu)。壓力敏感部與諧振結(jié)構(gòu)相連，是壓電諧振式壓力傳感器中諧振效應(yīng)的關(guān)鍵部分。在壓力敏感部中開設(shè)有至少一個諧振腔，諧振腔、諧振結(jié)構(gòu)、壓電組件共同構(gòu)成了諧振系統(tǒng)。當(dāng)待測壓力作用于壓力敏感結(jié)構(gòu)時，待測壓力通過錨點傳遞至諧振薄膜，由諧振薄膜再傳遞至壓電組件，在傳遞過程中，待測壓力依次轉(zhuǎn)換為諧振薄膜上的應(yīng)力，以及壓電組件上的應(yīng)力。待測壓力傳遞至諧振組件時，會引起諧振組件中諧振薄膜諧振頻率發(fā)生變化，壓電組件利用逆壓電效應(yīng)激勵諧振薄膜振動同時利用正壓電效應(yīng)可檢測到諧振薄膜的諧振頻率變化，進而檢測待測壓力的數(shù)值。

16、在一些示例中，所述壓力敏感結(jié)構(gòu)為所述si晶片加工成型，所述諧振結(jié)構(gòu)為所述soi晶片加工成型，所述soi晶片的器件層和所述si晶片的一側(cè)鍵合。

17、在完成soi晶片的加工后，需要進行soi晶片和si晶片的鍵合。這鍵合過程中，通過精確控制鍵合條件(如溫度、壓力、時間等)，使soi晶片的和si晶片的器件層緊密貼合在一起。鍵合后的諧振結(jié)構(gòu)既保留了諧振結(jié)構(gòu)的高性能特點，又實現(xiàn)了對外部壓力的敏感響應(yīng)，從而提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

18、在一些示例中，所述si晶片靠近所述soi晶片的一側(cè)開設(shè)有至少一個所述諧振腔，所述si晶片背離所述soi晶片的一側(cè)開設(shè)有所述壓力腔。

19、當(dāng)待測壓力作用于壓力敏感結(jié)構(gòu)時，這一壓力首先通過錨點傳遞至諧振薄膜。諧振薄膜能夠在受到壓力時產(chǎn)生形變。待測壓力在傳遞至諧振薄膜的過程中，會轉(zhuǎn)換為薄膜上的應(yīng)力。

20、接下來，諧振薄膜上的應(yīng)力會進一步傳遞至壓電組件。壓電組件是一種能夠?qū)C械應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電信號的器件，利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換過程。在傳遞過程中，待測壓力再次被轉(zhuǎn)換為壓電組件上的應(yīng)力，進而產(chǎn)生電信號輸出。

21、在待測壓力傳遞的過程中，諧振薄膜會產(chǎn)生諧振變化。這種諧振變化是待測壓力的直接反映，可以通過測量諧振頻率的變化來推算出待測壓力的具體數(shù)值。此外，壓電組件利用逆壓電效應(yīng)激勵諧振薄膜振動同時利用正壓電效應(yīng)可檢測到諧振薄膜的諧振頻率變化，進而檢測待測壓力的數(shù)值。逆壓電效應(yīng)是指電場作用下壓電材料產(chǎn)生形變的現(xiàn)象，通過施加電場可以激勵壓電組件產(chǎn)生諧振，從而進一步檢測待測壓力。

22、在一些示例中，所述諧振腔的開設(shè)深度與所述壓力腔的開設(shè)深度之和小于所述si晶片的厚度。

23、上述設(shè)置可以使壓力腔和諧振腔在si晶片中的開設(shè)位置相互交錯，而非處于同一水平線上。交錯的位置可以作為傳遞應(yīng)力的錨點，可以更好地將壓力敏感薄膜上接收的應(yīng)力通過錨點傳遞至諧振薄膜上。傳遞過程中可以帶動諧振薄膜產(chǎn)生諧振變化，或者配合壓電組件利用逆壓電效應(yīng)激勵產(chǎn)生諧振頻率的變化，進而檢測待測壓力的具體數(shù)值，確保壓電檢測正常進行，并且可以使壓電檢測的精度更準確。

24、在一些示例中，所述器件層與所述si晶片鍵合后，所述soi晶片去除埋氧層和襯底層并形成所述諧振結(jié)構(gòu)。所述器件層和所述si晶片的鍵合位置形成氧化層。

25、在一些示例中，所述壓電組件背離所述諧振結(jié)構(gòu)的一側(cè)設(shè)置有封蓋，所述封蓋與所述壓電組件圍合成密封腔；和/或，

26、所述壓電組件背離所述諧振結(jié)構(gòu)的一側(cè)設(shè)置有保護結(jié)構(gòu)，所述保護結(jié)構(gòu)覆蓋在所述壓電組件表面。

27、壓電組件背離諧振結(jié)構(gòu)的那一面配置了封蓋。封蓋與壓電組件共同圍合成一個密封腔，密封腔可以設(shè)置為真空腔，也可以設(shè)置為具有特定介質(zhì)的腔體，如氮氣、氨氣、氙氣等。這種密封結(jié)構(gòu)確保了壓電組件在工作過程中不受到外部環(huán)境的干擾，如塵埃、水分或其他可能影響其性能的雜質(zhì)。這種設(shè)置不僅延長了壓電組件的使用壽命，還保證了其性能的穩(wěn)定性，從而提高了整個壓電諧振式壓力傳感器的可靠性和耐用性。

28、密封腔內(nèi)的壓強與壓力腔內(nèi)的壓強可以具有一定的壓差，可以通過絕對壓差或相對壓差的計算方式，從而形成絕對壓力或相對壓力傳感器。其中，絕對壓差是指密封腔為真空腔時，密封腔內(nèi)的壓強值為零，壓電諧振式壓力傳感器對壓力腔的檢測數(shù)值即壓力腔接收的壓力數(shù)值，此時傳感器為絕對壓力傳感器。相對壓差是指密封腔為特定壓強的腔體，此時的密封腔內(nèi)具有介質(zhì)并維持在一定數(shù)值的壓強，壓電諧振式壓力傳感器對壓力腔的檢測數(shù)值需要減去密封腔內(nèi)的壓強值后得到壓力腔接收的壓力數(shù)值，此時傳感器為相對壓力傳感器。

29、第二方面，本技術(shù)提供了一種壓電諧振式壓力傳感器的壓力補償系統(tǒng)，包括：

30、至少一個上述的壓電諧振式壓力傳感器；以及，

31、至少一個補償傳感器，所述補償傳感器與所述壓電諧振式壓力傳感器間隔設(shè)置或一體設(shè)置；

32、所述補償傳感器能夠接收環(huán)境壓力，所述壓電諧振式壓力傳感器能夠接收待測壓力和所述環(huán)境壓力，所述壓電諧振式壓力傳感器的檢測數(shù)值減去所述補償傳感器的檢測數(shù)值能夠得到所述待測壓力的數(shù)值。

33、補償傳感器能夠接收環(huán)境影響而引起的干擾因素，壓電諧振式壓力傳感器能夠接收待測壓力和環(huán)境壓力，壓電諧振式壓力傳感器的檢測數(shù)值減去補償傳感器的檢測數(shù)值能夠得到待測壓力的數(shù)值。

34、補償傳感器會受到環(huán)境影響，壓電諧振式壓力傳感器能夠接收待測壓力，并且也會受到等同的環(huán)境影響，壓電諧振式壓力傳感器的檢測數(shù)值減去補償傳感器的檢測數(shù)值能夠得到待測壓力的數(shù)值。

35、為了實現(xiàn)精確測量壓力的目標(biāo)，設(shè)置出了精度更高的壓電諧振式壓力傳感器，這種壓電諧振式壓力傳感器均能夠精確捕捉和測量各種環(huán)境中的壓力變化。然而，環(huán)境因素本身可能對傳感器造成干擾，導(dǎo)致測量結(jié)果的偏差。為了解決這一問題，本技術(shù)提出了一種的壓力補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過引入補償傳感器來消除環(huán)境影響對測量結(jié)果的干擾。

36、第三方面，本技術(shù)提供了一種壓電諧振式壓力傳感器的制備方法，適用于上述的壓電諧振式壓力傳感器；所述方法用于將si晶片和soi晶片加工成所述壓電諧振式壓力傳感器，所述方法包括：

37、取si晶片，在所述si晶片的一側(cè)開設(shè)至少一個諧振腔；

38、上述步驟可以利用先進的微納加工技術(shù)在si晶片上開設(shè)至少一個諧振腔。

39、取soi晶片，將所述soi晶片的器件層厚度設(shè)置為諧振薄膜的厚度；

40、上述步驟可以將器件層的厚度設(shè)置為諧振薄膜的理想厚度。這一步驟確保了諧振膜具有足夠的柔性和機械強度，以滿足壓電諧振式壓力傳感器的工作需求。

41、倒轉(zhuǎn)所述soi晶片，將所述器件層鍵合至所述si晶片具有所述諧振腔的一側(cè)；

42、上述步驟可以使器件層與si晶片鍵合。這一步驟利用了soi晶片獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的材料性能，實現(xiàn)了器件層的穩(wěn)定連接。

43、減薄所述soi晶片，減薄過程中去除襯底層和埋氧層；

44、上述步驟可以通過精確控制減薄過程，成功地去除了襯底層和埋氧層，使soi晶片僅保留器件層。這一步驟不僅簡化了傳感器的結(jié)構(gòu)，而且提高了其靈敏度。器件層的部分結(jié)構(gòu)可以作為能夠和諧振腔配合的諧振薄膜。

45、在所述器件層背離所述器件層的一側(cè)加工壓電組件，在所述壓電組件上預(yù)留外接導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；

46、上述步驟可以在器件層背離si晶片的一側(cè)加工壓電組件。壓電組件的存在是實現(xiàn)傳感器電信號轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。同時，還可以在壓電組件上預(yù)留了外接導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，以便將傳感器的輸出信號與外部電路相連。

47、在所述si晶片背離所述器件層的一側(cè)開設(shè)壓力腔。

48、上述步驟可以實現(xiàn)壓力腔的開設(shè)，之后可以根據(jù)需要設(shè)置封蓋。