[发明专利]一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器，属于微电子机械技术领域。所述谐振式压力传感器包括紧密连接的压力敏感材料层和谐振器结构层；谐振器结构层的中部设有谐振器；谐振器包括主谐振梁和位于主谐振梁两侧的对称设置的谐振机构，两侧谐振机构结构相同；谐振机构包括双面梳齿结构、一对侧梁和质量块；双面梳齿结构包括两对电极和梳齿杆；一侧的压力敏感材料层之间设有复合梁式温度传感器；所述谐振式压力传感器的输入信号由所述激励电极、引线电极分别引入，输出信号由所述检测电极引出。本发明压力敏感薄膜上的形变通过硅岛转化成谐振器方向上的平面振动，谐振器与压力敏感膜片的工作模态相互垂直，抵抗外界干扰能力更强。

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种微惯性传感器，具体涉及一种基于静电激励/电容检测的多参量协同敏感的谐振式压力传感器及其制备方法。

背景技术

基于微机电系统技术的硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高的压力传感器之一，代表着当今世界传感器技术的最高水平。它的特征尺寸一般为微米或亚微米量级，采用硅微机械加工工艺制造，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，信号采集和处理方便。传感器精度主要受传感器机械特性的影响，信噪比高，抗干扰能力强，性能稳定。除此之外，硅微机械谐振压力传感器还具有体积小、重量轻、功耗低、结构紧凑、频带宽、抗冲击、易于集成化、可批量生产等众多优点。

在硅微谐振式压力传感器的发展方面，具有代表性的有下面几种：Druck公司的WELHAM等将MEMS表面微加工工艺与体微加工工艺结合制作了一种静电激励/电容检测的硅微机械谐振压力传感器，采用面内振动多晶硅梳齿谐振器。虽然其谐振器与压力敏感膜片的工作模态互相垂直可以减小二者之间的能量耦合，但改进能力有限，当压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度会发生变化，而激励与检测梳齿位置不动，因此激励力和检测信号均会减小，这样不仅增加了闭环控制的难度，同时也会对传感器精度产生影响，因此存在不稳定激励与检测的问题。法国Thales公司ANDLE等研发出一种静电激励/电容检测的双端固支梁式硅微机械谐振压力传感器，利用三层硅硅真空键合技术制作，传感器的谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片，因此精度受同振质量影响，且压力敏感膜片受压变形时激励力与检测信号的非线性变化会增加闭环控制的难度。美国美国斯坦福大学也报道了一种静电激励/电容检测的硅微机械谐振压力传感器，其谐振器为三个双端固支音叉谐振器，一个用来通过压力敏感膜片测量压力，一个用来测试并补偿温度，一个用来测试并补偿封装应力，最终将温度系数减小到原来的5%，应力影响减小到原来的一半。但是这种传感器的压力敏感膜片为外延多晶硅材料且固定有电极层，因此会对重复性和迟滞等传感器性能产生影响。

现有硅微机械谐振压力传感器存在以下问题：

1、压力敏感薄膜受压变形时谐振器的高度会发生变化，而激励与检测梳齿位置不动，因此激励力和检测信号都会减小，这样不仅增加了闭环控制的难度，同时也会对传感器的精度产生影响，因此存在不稳定激励与检测的问题，加大外围电路的设计难度；

2、传感器的谐振器振动方向垂直于压敏膜片时，谐振器与压力敏感薄膜之间存在能量耦合，同振质量会对精度产生影响，目前市场上比较成熟的压力传感器精度通常0.1%FS；

3、传感器受温度影响较大，压敏膜片两端的静压力差会随着温度发生变化，进而引起谐振器的输出频率发生改变，此外，传感器芯体结构中的硅以及各种材料之间存在均热涨系数差异，并且杨氏模量受温度影响，因此当温度发生改变的时候也会引起谐振梁的内应力发生变化，进而影响传感器的谐振频率，因为谐振式压力传感器是通过检测谐振频率的变化来测量压力，所以最终会导致测量压力值的误差，市场上现有压力传感器产品或多或少都会受到温度漂移的影响，现有产品的温度漂移系数通常±0.5%FS/℃；

4、目前国内硅微机械谐振压力传感器的工程化进展较为缓慢，核心技术被国外垄断，部分产品存在工艺复杂、成品率低、市场竞争力不足的问题。

发明内容