一種利用靜電負剛度的壓力傳感器及其製作方法
2023-10-08 00:14:14 1
專利名稱：一種利用靜電負剛度的壓力傳感器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及壓力傳感器，尤其是涉及一種利用靜電負剛度的壓力傳感器及其製作方法。
背景技術：
基於微機電(MEMS)技術的娃微諧振式壓力傳感器是目前精度最高的娃微壓力傳感器，它通過檢測微結構固有頻率的變化間接測量壓力，為準數位訊號輸出，既能與計算機直接相連，也容易組成直接顯示數字的儀表。矽微諧振式傳感器的精度主要受振動結構機械特性的影響，因此其抗電子幹擾能力很強，性能穩定。除此之外，矽微諧振式壓力傳感器還具有響應快、頻帶寬、功耗低、結構緊湊、體積小、重量輕、可批量生產等眾多優點，一直是各國研究和開發的熱點。目前，已知的矽微諧振式壓力傳感器的基本原理是壓力敏感膜在外界壓力作用下產生形變，這種形變通過壓力敏感膜與諧振結構之間的連接結構，傳遞到諧振結構上，導致諧振結構的剛度發生變化，進而影響諧振結構的諧振頻率，此諧振頻率通過電容檢測等方法被外圍電路獲得，從而建立了輸出頻率和輸入壓力的關係。以上工作原理使得該類諧振結構起碼要雙端 甚至多端固支，將導致此類結構的品質因子難以達到懸臂梁諧振結構可達到的十萬量級。該類諧振結構存在另外一個重要問題是溫度的變化會引起壓力敏感膜的形變，該形變最終也會影響輸出的諧振頻率，造成壓力測量的溫度誤差，給高精度壓力傳感器的設計增大了難度。矽微諧振式壓力傳感器的驅動電路通常為交直流疊加電壓信號。此信號中的直流電壓將產生與移動位移同向的靜電力，此力與彈性恢復力相反，即此靜電力的等效剛度為負值，此剛度和其他與彈性恢復力相反的靜電等效剛度統稱為靜電負剛度(高鍾毓.靜電場藕合微機電系統的動態模型.機械工程學報，2001, 37 (3):97-101)。直流電壓產生的靜電負剛度與產生靜電力的電容極板正對面積成正比、與直流電壓幅值的平方成正比、與基板間距的三次方成反比。若能在壓力敏感膜和懸臂諧振結構之間形成產生靜電負剛度的靜電力，那麼在壓力敏感膜與懸臂諧振結構之間就可以建立非接觸的壓力信號轉化傳遞方式，就可有效避免壓力敏感膜熱形變造成的輸出頻率誤差，同時可利用懸臂諧振結構得到高品質因子的諧振結構。
發明內容
本發明的目的在於提供利用靜電負剛度原理在壓力敏感膜與諧振結構之間建立非接觸的壓力信號轉化傳遞方式，同時利用懸臂諧振結構獲得高的品質因子，可顯著提高測量精度、降低設計和製造難度的一種利用靜電負剛度的壓力傳感器及其製作方法。本發明所述利用靜電負剛度的壓力傳感器，自下而上設有壓力敏感層、懸臂式諧振層、真空封裝蓋層和電極；壓力敏感層中部設有壓力敏感膜，壓力敏感層上端與懸臂式諧振層下端連接，懸臂式諧振層為框式結構，懸臂式諧振層設有帶質量塊的懸臂梁，帶質量塊的懸臂梁由懸臂式諧振層的邊框內側向內延伸至中央，懸臂梁的質量塊位於壓力敏感膜的正上方；懸臂式諧振層的邊框上端與真空封裝蓋層下端連接；電極包括驅動矽電極、檢測矽電極、接地電極和直流偏壓金屬電極，驅動矽電極和檢測矽電極設於真空封裝蓋層下端且位於懸臂梁正上方，接地電極設於壓力敏感層上，直流偏壓金屬電極設於真空封裝蓋層上，驅動矽電極和檢測矽電極均設有引線電極，接地電極與外部電路連接且共地；所述壓力敏感層為矽壓力敏感層，所述懸臂式諧振層為矽懸臂式諧振層，所述真空封裝蓋層為玻璃等絕緣真空封裝蓋層。所述壓力敏感膜的厚度可根據傳感器量程和靈敏度的要求變化調整。所述懸臂梁與壓力敏感膜之間的間距大於懸臂梁長度的1%。所述質量塊上開有減小壓膜阻尼的孔，孔的形狀可為圓形或多邊形。所述驅動矽電極、檢測矽電極與懸臂梁之間的間距大於懸臂梁與壓力敏感膜之間的間距。本發明所述壓力傳感器的製作方法，包括以下步驟:I)光刻膠做掩膜，用噴砂打孔工藝在玻璃片上加工出電極孔和引線缺口，之後去掉光刻膠；2)將經步驟I)加工後的玻璃片與矽片通過鍵合等工藝連接，然後將矽片通過溼法腐蝕或研磨拋光工藝減薄到設定厚度，再用幹法刻蝕或溼法腐蝕出驅動矽電極和檢測矽電極，製作成真空封裝蓋層；3)採用金屬或氧化矽做掩膜，然後通過光刻腐蝕等工藝在金屬或氧化矽掩膜上開出掩膜窗口，再用溼法單面腐蝕出懸臂式諧振層上下表面的盲槽，兩槽底之間的厚度就是懸臂梁的厚度；
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4)用光刻膠做掩膜幹法刻蝕出懸臂式諧振層的引線缺口、帶質量塊的懸臂梁，之後去掉光刻膠，製作成懸臂式諧振層；5)用氧化矽層或氮化矽做掩膜，單面腐蝕出壓力敏感膜和接地電極，製作成壓力敏感層；6)將壓力敏感層上端與懸臂式諧振層下端用熔矽鍵合工藝或粘接工藝連接到一起，形成壓力敏感層與懸臂式諧振層的組合片；7)將步驟6)所得組合片與真空封裝蓋層通過陽極鍵合工藝或粘接工藝連接到一起，形成壓力敏感層、懸臂式諧振層與真空封裝蓋層的三層組合片；8)將步驟7)所得三層組合片裝於硬板夾具中，通過濺射或蒸鍍金屬工藝得到覆蓋接地電極的金屬層、驅動矽電極的引線電極、檢測矽電極的引線電極以及直流偏壓金屬電極，得利用靜電負剛度的壓力傳感器。與現有技術比較，本發明的有益效果如下:I)利用靜電負剛度，在諧振結構和壓力敏感膜之間建立非接觸的壓力信號轉化傳遞方式，從而可有效避免壓力敏感膜熱形變造成的輸出頻率誤差，提高傳感器的測量精度；2)利用懸臂諧振結構得到高品質因子的諧振結構，使輸出信號的信噪比提高，降低外圍電路設計難度；3)利用靜電負剛度可由施加直流電壓改變的特點得到諧振頻率可調的諧振結構，使傳感器的使用頻率可適當避開使用環境的頻率限制；4)採用簡單的懸臂諧振結構以及成熟的熔矽鍵合和陽極鍵合等工藝，使傳感器的工藝難度降低，提高了生產效率。
圖1為本發明所述壓力傳感器實施例的外觀結構示意圖。圖2為本發明所述壓力傳感器實施例的部分結構示意圖。圖3為本發明所述壓力傳感器實施例的分解結構示意圖。圖4為本發明所述壓力傳感器實施例的壓力敏感層結構示意圖。圖5為本發明所述壓力傳感器實施例的懸臂式諧振層結構示意圖。圖6為圖1所示壓力傳感器實施方案的真空封裝蓋層示意圖；圖7的(I) (8)為本發明實施例所述壓力傳感器的製備流程示意圖。在圖1 7中，各標記表示:1.壓力敏感層；2.懸臂式諧振層；3.真空封裝蓋層；11.壓力敏感膜；12.接地電極；21.邊框；22.懸臂梁；23.質量塊；24.懸臂式諧振層引線缺口 ；31.電極孔；32.驅動矽電極；33.檢測矽電極；34.真空封裝蓋層引線缺口 ；41.直流偏壓金屬電極；42.驅動矽電極金屬引線電極；43.檢測矽電極金屬引線電極。
具體實施例方式參見圖1 7，本發明實施例所述壓力傳感器設有壓力敏感層1、懸臂式諧振層2、真空封裝蓋層3和電極；壓力敏感層1、懸臂式諧振層2和真空封裝蓋層3由下至上設置。壓力敏感層I中部設有壓力敏感膜11，壓力敏感層I上端與懸臂式諧振層2下端連接。懸臂式諧振層2為框式結構，懸臂式諧振層2設有帶質量塊23的懸臂梁22，帶質量塊23的懸臂梁22由懸臂式諧振層的邊框內側向內延伸至中央，懸臂梁22的質量塊23位於壓力敏感膜11的正上方；懸臂式諧振層2的邊框上端與真空封裝蓋層3下端連接。電極包括驅動矽電極32、檢測矽電極33、接地電極12和直流偏壓金屬電極41，驅動矽電極32和檢測矽電極33設於真空封裝蓋層3下端且位於懸臂梁22正上方，接地電極12設於壓力敏感層I上，直流偏壓金屬電極41設於真空封裝蓋層3上，驅動矽電極32設有驅動矽電極金屬引線電極42，檢測矽電極33設有檢測矽電極金屬引線電極43，接地電極12與外部電路連接且共地。所述壓力敏感層I為矽壓力敏感層，所述懸臂式諧振層2為矽懸臂式諧振層，所述真空封裝蓋層3為玻璃真空封裝蓋層。所述壓力敏感膜11的厚度可根據傳感器量程和靈敏度的要求變化調整。所述懸臂梁22與壓力敏感膜11之間的間距大於懸臂梁22長度的百分之一。所述的質量塊23上開有減小壓膜阻尼的小孔(各圖中未畫出)，小孔形狀可為圓形、矩形或其他多邊形。所述驅動矽電極32、檢測矽電極33與懸臂梁22之間的間距大於懸臂梁22與壓力敏感膜11之間的間距。本發明實施例所述的壓力傳感器的製作方法包括以下步驟:1光刻膠做掩膜，用噴砂打孔工藝在與矽膨脹係數相近的玻璃片上加工出電極孔31和引線缺口 34，之後去掉光刻膠；2)將經步驟I)加工後的玻璃片與矽片通過鍵合等工藝連接，然後將矽片通過溼法腐蝕或研磨拋光工藝減薄到設定厚度，再用幹法刻蝕或溼法腐蝕出驅動矽電極32和檢測娃電極33,製作成真空封裝蓋層3 ；3)採用金屬或氧化矽做掩膜，然後通過光刻腐蝕等工藝在金屬或氧化矽掩膜上開出掩膜窗口，再用溼法單面腐蝕出懸臂式諧振層2上下表面的盲槽，兩槽底之間的厚度就是懸臂梁的厚度；4)用光刻膠做掩膜幹法刻蝕出懸臂式諧振層的引線缺口 24、帶質量塊23的懸臂梁22，之後去掉光刻膠，製作成懸臂式諧振層2 ；5)用氧化矽層或氮化矽層做掩膜，單面腐蝕出壓力敏感膜11和接地電極12，製作成壓力敏感層I ;6)將壓力敏感層I上端與懸臂式諧振層2下端用熔矽鍵合工藝或粘接工藝連接到一起，形成壓力敏感層I與懸臂式諧振層2的組合片；7)將步驟6)所得組合片與真空封裝蓋層3通過陽極鍵合工藝或粘接工藝連接到一起，形成壓力敏感層1、懸臂式諧振層2與真空封裝蓋層3的三層組合片；8)將步驟7)所得三層組合片裝於硬板夾具中，通過濺射或蒸鍍金屬工藝得到覆蓋接地電極12的金屬層、驅動矽電極32的引線電極42、檢測矽電極33的引線電極43以及直流偏壓金屬電極41，從而完成本發明所述壓力傳感器的製作。本發明實施例所述壓力傳感器的工作原理如下:將壓力敏感層I上·的接地電極12通過金屬引線與外部電路連接且共地，在直流偏壓金屬電極41上施加一定幅度的直流電壓使懸臂式諧振層2帶有直流偏壓，在驅動矽電極金屬引線電極42上施加一定幅值的交直流疊加電壓信號可驅動懸臂梁22諧振，將檢測矽電極金屬引線電極43連接外圍頻率信號檢測電路。當外界壓力作用在壓力敏感膜11上時，壓力敏感膜11發生形變，產生面外的撓度，使壓力敏感膜11和質量塊23之間的距離減小，在直流偏壓的作用下，與質量塊23相連的懸臂梁22上的靜電負剛度值發生變化，懸臂梁22的諧振頻率進而會發生變化，質量塊23與檢測矽電極33之間的電容變化頻率發生變化，電容變化頻率的變化通過與檢測引線電極43相連接的外圍電路檢測而獲得，從而建立諧振頻率變化與壓力變化的比例關係。
權利要求
1.一種利用靜電負剛度的壓力傳感器，其特徵在於設有壓力敏感層、懸臂式諧振層、真空封裝蓋層和電極；壓力傳感器由下至上設置為三層式結構，底層為壓力敏感層，中層為懸臂式諧振層，上層為真空封裝蓋層；壓力敏感層中部設有壓力敏感膜，壓力敏感層上端與懸臂式諧振層下端連接，懸臂式諧振層為框式結構，懸臂式諧振層設有帶質量塊的懸臂梁，帶質量塊的懸臂梁由懸臂式諧振層的邊框內某處向內延伸至中央，懸臂梁的質量塊位於壓力敏感膜的正上方；懸臂式諧振層的邊框上端與真空封裝蓋層下端連接；電極包括驅動矽電極、檢測矽電極、接地電極和直流偏壓金屬電極，驅動矽電極和檢測矽電極設於真空封裝蓋層下端且位於懸臂梁正上方，接地電極設於壓力敏感層上，直流偏壓金屬電極設於真空封裝蓋層上，驅動矽電極和檢測矽電極均設有引線電極，接地電極與外部電路連接且共地；所述壓力敏感層為矽壓力敏感層，所述懸臂式諧振層為矽懸臂式諧振層，所述真空封裝蓋層為玻璃等絕緣真空封裝蓋層。
2.如權利要求1所述的一種利用靜電負剛度的壓力傳感器，其特徵在於所述所述懸臂梁與壓力敏感膜之間的間距大於懸臂梁長度的1%。
3.如權利要求1所述的一種利用靜電負剛度的壓力傳感器，其特徵在於所述的質量塊上設有減小壓膜阻尼的孔。
4.如權利要求1所述的一種利用靜電負剛度的壓力傳感器，其特徵在於所述驅動矽電極、檢測矽電極與懸臂梁之間的間距大於懸臂梁與壓力敏感膜之間的間距。
5.一種利用靜電負剛度的壓力傳感器的製作方法，其特徵在於包括以下步驟: 1)光刻膠做掩膜，用噴砂打孔工藝在玻璃片上加工出電極孔和引線缺口，之後去掉光刻膠; 2)將經步驟I)加工後的玻璃片與矽片通過鍵合等工藝連接，然後將矽片通過溼法腐蝕或研磨拋光工藝減薄到設定厚度，再用幹法刻蝕或溼法腐蝕出驅動矽電極和檢測矽電極，製作成真空封裝蓋層； 3)採用金屬或氧化矽做掩膜，然後通過光刻腐蝕等工藝在金屬或氧化矽掩膜上開出掩膜窗口，再用溼法單面腐蝕出懸臂式諧振層上下表面的盲槽，兩槽底之間的厚度就是懸臂梁的厚度； 4)用光刻膠做掩膜幹法刻蝕出懸臂式諧振層的引線缺口、帶質量塊的懸臂梁，之後去掉光刻膠，製作成懸臂式諧振層； 5)用氧化矽層或氮化矽做掩膜，單面腐蝕出壓力敏感膜和接地電極，製作成壓力敏感層； 6)將壓力敏感層I上端與懸臂式諧振層下端用熔矽鍵合工藝或粘接工藝連接到一起，形成壓力敏感層與懸臂式諧振層的組合片； 7)將步驟6)所得組合片與真空封裝蓋層通過陽極鍵合工藝或粘接工藝連接到一起，形成壓力敏感層、懸臂式諧振層與真空封裝蓋層的三層組合片； 8)將步驟7)所得三層組合片裝於硬板夾具中，通過濺射或蒸鍍金屬工藝得到覆蓋接地電極的金屬層、驅動矽電極的引線電極、檢測矽電極的引線電極以及直流偏壓金屬電極，得利用靜電負剛度的壓力傳感器。
全文摘要
一種利用靜電負剛度的壓力傳感器及其製作方法，涉及壓力傳感器。傳感器自下而上設壓力敏感層、懸臂式諧振層、真空封裝蓋層和電極。光刻膠做掩膜，在玻璃片上加工電極孔和引線缺口，再與矽片連接，腐蝕出驅動矽電極和檢測矽電極；在金屬或氧化矽掩膜上開掩膜窗口，再腐蝕出懸臂式諧振層上下表面的盲槽；刻蝕出懸臂式諧振層的引線缺口、帶質量塊的懸臂梁；用氧化矽層或氮化矽做掩膜，單面腐蝕出壓力敏感膜和接地電極，製成壓力敏感層，上端與懸臂式諧振層下端連接形成組合片，再與真空封裝蓋層連接形成三層組合片，裝於硬板夾具，通過濺射或蒸鍍得覆蓋接地電極的金屬層、驅動矽電極的引線電極、檢測矽電極的引線電極以及直流偏壓金屬電極得傳感器。
文檔編號G01L9/00GK103234669SQ201310106170
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月29日 優先權日2013年3月29日
發明者孫道恆, 杜曉輝, 王凌雲, 蔡建法, 王小萍 申請人:廈門大學