[发明专利]一种硅微谐振式压力传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及一种基于滑膜阻尼和双压力膜结构的硅微谐振式压力传感器及其制作方法。

背景技术

基于微机电（MEMS）技术的硅微谐振式压力传感器是目前精度最高的硅微压力传感器，它通过检测结构的固有频率间接测量压力，为准数字信号输出，既能与计算机直接相连，也容易组成直接显示数字的仪表。硅微谐振式传感器的精度主要受振动结构机械特性的影响，因此其抗电子干扰能力很强，性能稳定。除此之外，硅微谐振式压力传感器还具有响应快、频带宽、功耗低、结构紧凑、体积小、重量轻、可批量生产等众多优点，一直是各国研究和开发的热点。

在硅微谐振式压力传感器发展方面，英国DRUCK公司的RPT系列和日本横河电机株式会社的H桥型谐振式压力传感器已实现商业化的生产。尤其是RPT系列的硅微谐振式压力传感器经过30多年的发展，已被广泛应用于航空航天、大气数据采集等方面，此系列传感器的基本原理是压力敏感膜在外界压力作用下产生形变，这种形变经过固定在压力敏感膜上的硅岛放大，再传递到与谐振子相连的谐振梁上，导致谐振梁的刚度等发生变化，进而影响谐振结构面外振动的谐振频率，此谐振频率通过电容检测等方法被外围电路获得，从而建立了输出频率和输入压力的关系，但是此类传感器因谐振结构需克服压膜阻尼的影响，其品质因子对封装真空度的依赖性较强。我国西北工业大学的苑伟政教授等人发明了一种新的硅微谐振式压力传感器（任森，苑伟政，乔大勇，王玉朝，吕湘连.基于滑膜差动结构的硅微谐振式压力传感器及其制作方法，中国专利200910023322.7），其工作原理是基于滑膜阻尼和电容检测，以此简化了制作工艺和版图设计，降低了高真空封装的要求，但此种硅微谐振式压力传感器因为敏感膜位置太靠近谐振结构，导致起放大作用的支撑柱太短，使得传感器的灵敏度远低于RPT系列。

发明内容

本发明的目的在于为了充分利用硅岛的放大作用，同时谐振结构克服滑膜阻尼在面内振动以获得较高的品质因子，提供一种基于滑膜阻尼和双压力膜结构的硅微谐振式压力传感器及其制作方法。

本发明设有压力敏感层、谐振结构层、真空封装盖帽层和引线电极，所述压力敏感层的边框上部与谐振结构层边框的下部相连，压力敏感层上部边框内设有2个压力膜并形成2个放置平行硅岛的空腔，硅岛的顶端与谐振结构层上的第1传递梁和第2传递梁相连，2个空腔之间具有沟道，使谐振结构层上的第1谐振梁、第2谐振梁、第1质量块和第2质量块有自由振动的空间，谐振结构层的边框上部与真空封装盖帽层的下部边框相连，盖帽层下部边框内形成空腔，真空封装盖帽层上开有引线孔，引线电极通过引线孔与谐振结构层相连。

所述压力膜距离压力敏感层的下部有一定距离，所述压力膜的形状可为矩形或正方形，压力膜的厚度可根据量程和灵敏度要求在工艺允许范围内进行调整。

所述硅岛在每个压力膜上对称分布一对。

所述谐振结构层设有边框、第1扭转梁、第2扭转梁、第1传递梁、第2传递梁、第1平衡块、第2平衡块、第1定齿、第2定齿、第1支撑梁、第2支撑梁、第1谐振梁、第2谐振梁、第1面外位移限制梁、第2面外位移限制梁、第3面外位移限制梁、第4面外位移限制梁、第1双边带梳齿质量块和第2双边带梳齿质量块；所述第1传递梁、第2传递梁与硅岛相连，连接部分靠近硅岛与边框相近的一侧，并且通过第1扭转梁和第2扭转梁相互连接；第1传递梁和第2传递梁与第1谐振梁和第2谐振梁通过第1支撑梁和第2支撑梁连接；所述第1双边带梳齿质量块和第2双边带梳齿质量块位于第1谐振梁和第2谐振梁的中间位置，第1双边带梳齿质量块和第2双边带梳齿质量块的一侧与第1定齿构成驱动梳齿对，第1双边带梳齿质量块和第2双边带梳齿质量块的另一侧与第2定齿构成检测梳齿对；第1面外位移限制梁、第2面外位移限制梁、第3面外位移限制梁和第4面外位移限制梁限制第1谐振梁和第1谐振梁的面外位移。

所述第1传递梁和第2传递梁可以与2个压力膜外侧的硅岛相连，构成给第1谐振梁和第2谐振梁传递拉应力的双压力膜结构，此种情况下第1谐振梁和第2谐振梁的固有频率随压力增大而增大，检测梳齿对检测到的输出信号也随之增大；第1传递梁和第2传递梁也可以与所述2个压力膜内侧的硅岛相连，构成给第1谐振梁和第2谐振梁传递压应力的双压力膜结构，此种情况下第1谐振梁和第2谐振梁的固有频率随压力增大而减小，检测梳齿对检测到的输出信号也随之减小；如上所述两种工作方式的双膜结构可以组合使用，构成输出差分频率的四压力膜结构，以提高传感器的灵敏度。

所述硅微谐振式压力传感器的制作方法包括以下步骤：