一種基於帶有耦合梁差動結構的矽微諧振式壓力傳感器的製作方法

2023-06-03 02:02:56

專利名稱：一種基於帶有耦合梁差動結構的矽微諧振式壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器，尤其是涉及一種帶有耦合梁差動結構的矽微諧振式壓力傳感器。
背景技術：
矽微諧振式壓力傳感器是目前精度最高的壓力傳感器，它通過檢測物體的固有頻率來間接測量壓力，為準數位訊號輸出。其精度主要受結構機械特性的影響，因此其抗幹擾能力強，性能穩定。除此之外，矽微諧振式壓力傳感器還具有頻帶寬、結構緊湊、功耗低、體積小、重量輕、可批量生產等許多優點，一直是各國研究和開發的重點。
在矽微諧振式壓力傳感器研發方面，英國、日本、法國、美國等國家已經取得了一系列成果。但是目前已成功商品化並且大量使用的矽微諧振式壓力傳感器主要有兩種，分別是英國的Druck公司和日本的橫河電機株式會社。英國的Druck公司的矽微諧振式壓力傳感器主要是採用靜電激勵、電容檢測的工作方式，其敏感部分包括諧振子、矽島、壓力敏感膜片和四周固定的邊框四部分。其中的諧振子是採用濃硼自停止刻蝕技術得到的，整體誤差小於0. 01%，測量範圍10 1300mbar。日本橫河電機株式會社的矽微諧振式壓力傳感器則採用電磁激勵、電磁檢測的工作方式，其諧振器是利用選擇性外延生長和犧牲層技術得到，為內置於真空腔中的諧振梁，並嵌入在壓力敏感膜片上表面，整體精度優於0. 01 % FS，溫度係數小於5ppm/K。然而上述矽微諧振式壓力傳感器採用的驅動方式都為上下平板結構驅動，製作工藝比較複雜，外部電路的檢測也有一定難度，並且還必須保證穩定的高真空封裝環境。
本申請人在中國專利CN102162756A中公開一種可解決上下平板驅動結構中驅動力的非線性問題，以及驅動力與壓力敏感膜片間的耦合問題，基於側向驅動的一種全對稱矽微諧振式壓力傳感器。設有諧振子、稜台形矽島、正方形矽壓力敏感膜片、矽邊框和下層玻璃；矽邊框內部與正方形壓力敏感膜片連為一體，在正方形矽壓力敏感膜片的對角線上對稱設有4個稜台形矽島，所述4個稜台形矽島的四邊與所述正方形矽壓力敏感膜片的四邊平行，4個稜台形矽島通過與之相連的4根支撐梁將諧振子平行懸置於正方形矽壓力敏感膜片上方；設於矽邊框上表面的4根對角線上的4個引線電極通過4根柔性梁與諧振子連接，實現諧振子與外界的電氣連接。
中國專利CN101149298公開一種新的矽微諧振式壓力傳感器及其製作方法。採用 4個對稱布置在正方形壓力敏感膜片對角線上的正方形矽島，諧振子通過該正方形矽島懸置於正方形壓力敏感膜片表面。該諧振子由4根支撐梁、4個振動葉片及1個中心連接端構成。4根支撐梁和4個振動葉片間隔對稱分布於中心連接端的四周，而4根支撐梁的另一端分別置於4個正方形矽島的上表面，4個振動葉片處於懸置狀態。
中國專利CN101614604公開一種基於滑膜差動結構的矽諧振式壓力傳感器及其製作方法，該矽諧振式壓力傳感器主要包括諧振器、支撐柱、壓力敏感膜片及邊框四部分， 其中邊框上部與壓力敏感膜片四邊相連，下部與壓力敏感膜片對應位置形成有空腔，使被測氣體通過該空腔與壓力敏感膜片相接觸。支撐柱位於壓力敏感膜片上表面，而諧振器則通過支撐柱和邊框懸置於壓力敏感膜片上表面。發明內容
本發明的目的在於針對現有的諧振式壓力傳感器為了提高諧振子的品質因子，需要對諧振子進行高真空密封，而且溫度變化也會引起諧振子諧振頻率的變化等難題，提供一種帶有機械梁差動結構的基於帶有耦合梁差動結構的矽微諧振式壓力傳感器。
本發明設有諧振子、2個矩形矽島、矩形壓力敏感膜片、矽邊框和下層玻璃；所述諧振子設有8根支撐梁、1根耦合梁、4個可動梳齒激勵電極、2個可動梳齒檢測電極、4個固定梳齒激勵電極、2個固定梳齒檢測電極和2個振動質量塊，所述矩形壓力敏感膜片固定在矽邊框內部，所述2個矩形矽島設在矩形壓力敏感膜片受力偏轉角度最大的位置，2個矩形矽島通過8根支撐梁將諧振子懸置於矩形壓力敏感膜片表面，所述8根支撐梁與2個矩形矽島相連；引線電極通過柔性梁與諧振子連接；8根支撐梁分別布置在諧振子的四角，2個振動質量塊通過8根支撐梁與矩形矽島相連，設於諧振子中間的機械耦合梁用於連接2個振動質量塊，振動質量塊和耦合梁都處於懸置狀態，其中振動質量塊上設有孔或孔陣列，用於降低阻尼或在工藝上實現結構的釋放；所述4個固定梳齒激勵電極與4個可動梳齒激勵電極構成梳齒激勵電容，2個固定梳齒檢測電極與2個可動梳齒檢測電極構成梳齒檢測電容；所述下層玻璃設於矽邊框底部。
所述柔性梁可採用S型柔性梁，採用柔性梁是為了減小其變形對矩形壓力敏感膜剛度的影響。
所述諧振子可為水平振動的基於滑膜阻尼的梳齒彈性梁結構，其運動方向與矩形矽島延伸方向平行。
所述諧振子、矽邊框和下層玻璃可通過鍵合工藝粘接在一起，下層玻璃中心設有導壓孔，導壓孔與矩形矽壓力敏感膜片中心正對。
本發明採用了梳齒彈性梁結構作為諧振子，諧振子的振動方式採用水平振動，其本身的空氣阻尼為滑膜阻尼，對封裝腔體真空度的變化也相對不敏感，可以取得較高的品質因子，並獲得較好的長期穩定性。該諧振子自帶的機械耦合梁，能使得壓力傳感器產生較好的差分效果，減小溫度對諧振子頻率的影響，提高器件的靈敏度，並且降低了外部電路的檢測難度。


圖1為本發明實施例的結構示意圖。
圖2為本發明實施例的分解結構示意圖。
具體實施方式
參見圖1和2，本發明實施例設有諧振子1、2個矩形矽島2、矩形壓力敏感膜片3、 矽邊框4和下層玻璃14 ；所述諧振子1設有8根支撐梁5、1根耦合梁6、4個可動梳齒激勵電極7、2個可動梳齒檢測電極8、4個固定梳齒激勵電極9、2個固定梳齒檢測電極10和2 個振動質量塊11，所述矩形壓力敏感膜片3固定在矽邊框4內部，所述2個矩形矽島2設在矩形壓力敏感膜片3受力偏轉角度最大的位置，2個矩形矽島2通過8根支撐梁5將諧振子1懸置於矩形壓力敏感膜片3表面，所述8根支撐梁5與2個矩形矽島2相連；引線電極 13通過柔性梁12與諧振子1連接；8根支撐梁5分別布置在諧振子1的四角，2個振動質量塊11通過8根支撐梁5與矩形矽島2相連，設於諧振子1中間的機械耦合梁6用於連接 2個振動質量塊11，振動質量塊11和耦合梁6都處於懸置狀態，其中振動質量塊11上設有孔或孔陣列，用於降低阻尼或在工藝上實現結構的釋放；所述4個固定梳齒激勵電極9與4 個可動梳齒激勵電極7構成梳齒激勵電容，2個固定梳齒檢測電極10與2個可動梳齒檢測電極8構成梳齒檢測電容；所述下層玻璃14設於矽邊框4底部。
所述柔性梁可採用S型柔性梁，採用柔性梁是為了減小其變形對矩形壓力敏感膜 3剛度的影響。
所述諧振子1可為水平振動的基於滑膜阻尼的梳齒彈性梁結構，其運動方向與矩形矽島延伸方向平行。
所述諧振子1、矽邊框4和下層玻璃14可通過鍵合工藝粘接在一起，下層玻璃14 中心設有導壓孔15，導壓孔15與矩形矽壓力敏感膜片3中心正對。
以下給出本發明的工作過程
當外界壓力通過導壓孔15作用於矩形壓力敏感膜片3時，矩形壓力敏感膜片3發生變形，帶動矩形矽島2發生偏轉，從而改變8根支撐梁5的內應力，進而改變8根支撐梁5 的剛度，即諧振子1的固有頻率發生變化。將固定梳齒激勵電極9、固定梳齒檢測電極10、 引線電極13分別與外部電路連接引入3路電信號，其中第1路電信號作用於固定梳齒激勵電極9，第2路電信號作用於固定梳齒檢測電極10，第3路電信號通過引線電極13、柔性梁 12、支撐梁5、質量塊11作用於可動梳齒激勵電極7和可動梳齒檢測電極8。通過梳齒電容間的靜電激勵、電容檢測即可得到諧振子1與外界壓力相關的固有諧振信號。
權利要求
1.一種基於帶有耦合梁差動結構的矽微諧振式壓力傳感器，其特徵在於設有諧振子、2 個矩形矽島、矩形壓力敏感膜片、矽邊框和下層玻璃；所述諧振子設有8根支撐梁、1根耦合梁、4個可動梳齒激勵電極、2個可動梳齒檢測電極、4個固定梳齒激勵電極、2個固定梳齒檢測電極和2個振動質量塊，所述矩形壓力敏感膜片固定在矽邊框內部，所述2個矩形矽島設在矩形壓力敏感膜片受力偏轉角度最大的位置，2個矩形矽島通過8根支撐梁將諧振子懸置於矩形壓力敏感膜片表面，所述8根支撐梁與2個矩形矽島相連；引線電極通過柔性梁與諧振子連接；8根支撐梁分別布置在諧振子的四角，2個振動質量塊通過8根支撐梁與矩形矽島相連，設於諧振子中間的機械耦合梁用於連接2個振動質量塊，振動質量塊和耦合梁都處於懸置狀態，其中振動質量塊上設有孔或孔陣列；所述4個固定梳齒激勵電極與4個可動梳齒激勵電極構成梳齒激勵電容，2個固定梳齒檢測電極與2個可動梳齒檢測電極構成梳齒檢測電容；所述下層玻璃設於矽邊框底部。
2.如權利要求1所述的一種基於帶有耦合梁差動結構的矽微諧振式壓力傳感器，其特徵在於所述柔性梁採用S型柔性梁。
3.如權利要求1所述的一種基於帶有耦合梁差動結構的矽微諧振式壓力傳感器，其特徵在於所述諧振子為水平振動的基於滑膜阻尼的梳齒彈性梁結構，其運動方向與矩形矽島延伸方向平行。
4.如權利要求1所述的一種基於帶有耦合梁差動結構的矽微諧振式壓力傳感器，其特徵在於所述諧振子、矽邊框和下層玻璃通過鍵合工藝粘接在一起。
5.如權利要求1所述的一種基於帶有耦合梁差動結構的矽微諧振式壓力傳感器，其特徵在於下層玻璃中心設有導壓孔，導壓孔與矩形矽壓力敏感膜片中心正對。
全文摘要
一種基於帶有耦合梁差動結構的矽微諧振式壓力傳感器，涉及一種傳感器。設諧振子、矩形矽島、矩形壓力敏感膜片、矽邊框和下層玻璃；諧振子設有支撐梁、耦合梁、可動梳齒激勵電極、可動梳齒檢測電極、固定梳齒激勵電極、固定梳齒檢測電極和振動質量塊，矩形壓力敏感膜片固定在矽邊框內部，矩形矽島設在矩形壓力敏感膜片受力偏轉角度最大的位置，矩形矽島通過支撐梁將諧振子懸置於矩形壓力敏感膜片表面，支撐梁與矩形矽島相連；引線電極通過柔性梁與諧振子連接；支撐梁設在諧振子四角，振動質量塊與矩形矽島相連，設於諧振子中間的機械耦合梁用於連接振動質量塊，振動質量塊和耦合梁都處於懸置狀態，振動質量塊上設有孔；下層玻璃設於矽邊框底部。
文檔編號B81B3/00GK102494813SQ20111039469
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月2日 優先權日2011年12月2日
發明者呂文龍, 孫道恆, 杜曉輝, 江毅文, 王凌雲, 蘇源哲 申請人:廈門大學