[发明专利]一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器及其制造工艺

说明书

本发明公开了一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器及其制造工艺，包括由下至上依次设置的玻璃衬底层、硅衬底层、二氧化硅埋层、法兰盘型硅谐振层以及盖板层；该传感器利用法兰盘型结构的谐振器大刚度的特点，代替了传统小刚度梁型谐振器，极大地提高了工作模态的谐振频率，解决了梁型谐振器工作模态频率低，容易受到模态串扰的问题，相邻的干扰模态与工作模态频率间隔较大，不会引起模态干扰的现象。同时，法兰盘型的谐振结构引入了滑膜阻尼，相较于梁型结构的压膜阻尼，其阻尼比较小，对应的Q值较高，除此之外，高的工作模态频率也对应了高Q值的特点，使得谐振传感器的灵敏度增加，提高了测量的高精度。

技术领域

本发明涉及半导体微机电系统技术领域，具体涉及一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器及其制造工艺。

背景技术

随着微机电技术的发展，MEMS硅谐振压力传感器因其高精度、高稳定性、可批量化制造、尺寸小、功耗低等特点在航空航天、工业控制、气象测量等领域具有越来越广泛的应用。

现有的硅谐振压力传感器均是谐振梁形式的谐振结构，其加工工艺普遍使用双面抛光的单晶硅圆片作为衬底材料，使用高温硅-硅键合工艺成形，该工艺加工难度大，良率低，同时工艺过程温度高达1200℃以上，会引起极大的热应力，导致谐振梁结构的谐振频率发生偏移，造成测量精度的误差。除此之外，谐振梁的工作模态频率普遍较低，通常处于20KHz～60KHz范围内，其相邻的干扰模态通常也处于该频率范围内，容易造成工作模态间的串扰，影响压力的测量精度。此外，如论文“不等基频硅微谐振式加速度计”中所述，谐振型传感器存在测量“死区”的耦合现象，使得传感器在小量程范围内出现测量精度不够甚至无信号输出的现象发生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器及其制造工艺，以解决现有传统梁型结构刚度低，模态串扰严重，测量“死区”的耦合现象，影响测量精度的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器，包括由下至上依次设置的玻璃衬底层、硅衬底层、二氧化硅埋层、法兰盘型硅谐振层以及盖板层；

法兰盘型硅谐振层包括法兰盘型谐振器、分别与法兰盘型谐振器连接的驱动梳齿对和检测梳齿对以及分别通过受力杆与法兰盘型谐振器连接的第一锚部和第二锚部，第一锚部和第二锚部位于同一直线上，驱动梳齿对和检测梳齿对相邻设置，受力杆位于驱动梳齿对和检测梳齿对之间，且驱动梳齿对、检测梳齿对、受力杆、第一锚部和第二锚部绕法兰盘型谐振器呈圆周分布。

进一步地，驱动梳齿对包括第一驱动梳齿对以及与第一驱动梳齿对关于法兰盘型谐振器呈斜向对称设置的第二驱动梳齿对，且所述法兰盘型谐振器的中心位于第一驱动梳齿对与第二驱动梳齿对的连线上。

进一步地，检测梳齿对包括位于第一驱动梳齿对和第二驱动梳齿对之间的第一检测梳齿对以及与第一检测梳齿对关于法兰盘型谐振器呈斜向对称设置的第二检测梳齿对，法兰盘型谐振器的中心位于所述第一检测梳齿对与第二检测梳齿对的连线上。

进一步地，两对驱动梳齿对的端面、两对检测梳齿对的端面分别与法兰盘型谐振器的外缘之间具有间隙，且间隙一致。

进一步地，法兰盘型谐振器上刻蚀有多个阻尼孔，且阻尼孔呈圆周分布。

进一步地，盖板层开设有用于提供引线键合时的拉线路径的通孔。

进一步地，玻璃衬底层内开设有引气孔，引气孔与设置在硅衬底层的压力敏感膜片相通，且第一锚部和第二锚部分别连接在压力敏感膜片上。

进一步地，盖板层内部设置有用于保证谐振器腔体真空度的吸气层。

本发明还提供了一种高精度法兰盘型硅谐振压力传感器的制造工艺，包括以下步骤：

S1：选取标准厚层晶面的SOI晶圆材料，并对其进行清洗；