[发明专利]一种MEMS气压传感器以及提高其长期稳定性的方法

说明书

本发明提供了一种MEMS气压传感器以及提高其长期稳定性的方法，属于MEMS传感器技术领域。所述MEMS气压传感器包括应力隔离衬底，应力隔离衬底由厚度大于气压敏感薄膜的最大特征尺寸的玻璃材料制成，其远离键合连接面的一侧与传感器气压敏感结构气压敏感薄膜相对的位置加工有坑槽结构，该应力隔离衬底与传感器的敏感芯片或者敏感元件的气压敏感结构衬底通过芯片键合工艺组装在一起，用于削减气压敏感结构所受到的由于封装和装配引起的热应力和残余应力，可以优化传感器温度特性和稳定性。此外，对封装有应力隔离衬底的敏感芯片或者敏感元件以及传感器进行高低气压循环处理和高低温度循环处理的方法，可以进一步提高MEMS传感器长期稳定性。

技术领域

本发明涉及一种MEMS气压传感器，以及提高该MEMS气压传感器长期稳定性的方法，属于MEMS气压传感器技术领域。

背景技术

气压传感器广泛用于气象、航空航天、深空探测、海洋气候、机场港口、石油化工、工艺过程设备系统等领域。微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，简写为MEMS)气压传感器由于其具有小体积、轻重量、低功耗、晶圆级批量生产成本低、可集成等优势，应用前景广泛、市场潜力巨大。气压传感器(包含MEMS气压传感器)的一个十分重要的性能指标就是长期稳定性，该项指标直接决定着传感器是否可实际应用及其校准间隔周期和寿命。

MEMS气压传感器的长期稳定性受很多因素影响，如，材料内应力、微纳加工工艺残余应力、真空参考腔封装稳定性和多层结合应力、真空度长期维持能力、敏感元件组装应力、传感器检测电路稳定性等。

提高气压传感器长期稳定性的方法通常有加工工艺控制、测试筛选、加速老练等方法和途径，但是此类方法有不可量化控制、筛选传感器成本高、仅对某些特定类型传感器有效、效果不显著等弊端。

目前，国际上最先进的MEMS气压传感器长期稳定性优于0.01％F.S./年。美国GE公司(收购英国Druck公司)的硅MEMS谐振式气压传感器长期稳定性优于0.01％F.S./2年(P.K.Kinnell,R.Craddock.Advances in Silicon Resonant Pressure Transducers[J],Procedia Chemistry，2009)；美国Paroscientific公司的石英MEMS谐振式气压传感器长期稳定性优于0.01％F.S./19年(Paroscientific,Inc.Digiquartz PressureInstrumentation Advantage[EB/OL],2011.Paroscientific,Inc.DigiquartzTechnology Overview[EB/OL],2017)。但是，该类先进传感器实现超高长期稳定性指标的方法作为技术秘密被严格控制，无相关公开专利和论文。

美国Gokhfeld,Yuzef等人(High Sensitivity Pressure Sensor with LongTerm Stability,Patent:US006813954WO02097387A1,2004)发明的一种气压传感器，采用两个腔体中间隔膜的结构方式减小残余应力，提高长期稳定性；但是，该种方法结构复杂、加工实现困难，两个腔体降低了可靠性，且仍然对敏感结构的封装组装引入的应力无法减缓消除，对长期稳定性指标提升有限。美国Henry Allen,Kamrul Ramzan等人(Anodic BondQuality and Impact on Pressure Sensor Long-Term Stability[C],MRS SpringMeeting,2001)研究的MEMS气压传感器，仅对键合封装单步工艺对长期稳定性影响做了研究，影响长期稳定性指标的因素还有很多。中国山西太原太行仪表厂对振动筒式压力传感器的长期稳定性做了相关研究(秦杰，王永峰等，振动筒式压力传感器长期稳定性研究，航空制造工程[J]，1997)，但是该研究仅从季节、雨雪、沙尘等外部环境因素对传感器长期稳定性的影响及如何防护做了分析和建议，没有对传感器本身长期稳定性指标提升的系统研究，且传感器长期稳定性指标较低。

发明内容