[发明专利]基于滑膜差动结构的硅谐振式压力传感器及其制作方法

说明书

一、技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别是一种基于滑膜差动结构的硅谐振式压力传感器及其制作方法。

二、背景技术

硅谐振式压力传感器是目前精度最高的压力传感器之一，它通过检测物体的固有频率间接测量压力，为准数字信号输出。由于其精度主要受结构机械特性的影响，因此其抗干扰能力强，性能稳定。除此之外，硅谐振式压力传感器还具有频带宽、结构紧凑、功耗低、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重点。

在硅谐振式压力传感器研发方面，英国、日本、美国、法国等国家均取得了一系列成果，但目前已成功商品化并大量应用的硅谐振式压力传感器主要有两种，分别属于英国的Druck公司和日本的横河电机株式会社。文献“JC Greenwood，DW Satchell.Miniature siliconresonant pressure sensor.Control Theory and Applications，IEE Proceedings D，1988，Vol.135，No.5，pp369-372”中，英国Druck公司的硅谐振式压力传感器采用静电激励/电容拾振的工作方式，其谐振器为采用浓硼自停止体硅刻蚀技术得到的蝶型结构或者相连的两个矩形结构，并通过两个矩形硅岛与矩形压力敏感膜片构成一个整体，最后该硅片层被键合到带有电极和导压孔的底座上；文献“K Ikeda，H Kuwayama，T Kobayashi，T Watanabe，TNishikawa，T Yoshida，K Harada.Silicon pressure sensor integrates resonant straingauge on diaphragm.SENSORS ACTUATORS，1990，Vol.21A，no.1-3，pp.146-150”中，日本横河电机株式会社的硅谐振式压力传感器则采用电磁激励/电磁拾振的工作方式，其谐振器利用选择性外延生长和牺牲层技术得到，为内置于真空腔中的H型谐振梁，并嵌入在压力敏感膜片上表面。然而上述硅谐振式压力传感器的制作工艺和版图均比较复杂，且必须保证稳定的高真空封装环境。

三、发明内容

为了克服现有技术的不足，简化制作工艺和版图设计，避免高真空封装，本发明提出了一种基于滑膜差动结构的硅谐振式压力传感器及其制作方法。

本发明提出的基于滑膜差动结构的硅谐振式压力传感器主要包括谐振器2、支撑柱1、压力敏感膜片3及边框4四部分，其中边框4上部与压力敏感膜片3四边相连，下部与压力敏感膜片3对应位置形成有空腔，使被测气体通过该空腔与压力敏感膜片3相接触。支撑柱1位于压力敏感膜片3上表面，而谐振器2则通过支撑柱1和边框4悬置于压力敏感膜片3上表面。

该压力敏感膜片3可以为正方形、矩形、多边形或圆形结构，同时其下表面可以制作一个或多个硅岛，而该硅岛可以为正方形、矩形、多边形或圆形结构。

该支撑柱1位于压力敏感膜片3对角线或中心对称轴上，可以为正方形、矩形、多边形或圆形结构。

该谐振器2包含有一个或多个谐振子20，而该谐振子20为一个水平振动的基于滑膜阻尼的梳齿弹性梁结构，其运动方向与所述的压力敏感膜片3的其中一组对边平行或成45度角。所述的谐振子20由电极一5、电极二6、电极三11、梳齿一12、梳齿二13、梳齿三14、弹性梁15、连接端一16、连接端二17、连接端三18、质量块19共十一部分组成。其中质量块19两端各连接有一组或多组梳齿三14，并通过弹性梁15与支撑柱1相连。连接端18末端固定于边框4上表面，并通过其前端的折叠梁结构与支撑柱1相连，同时该连接端18末端上表面布置有电极三11。连接端一16末端固定于边框4上表面，前端与梳齿一12相连，同时该连接端16上表面布置有电极一5。连接端二17末端固定于边框4上表面，前端与梳齿二13相连，同时该连接端17上表面布置有电极二6。

其中所述的梳齿一12与梳齿三14构成一组或多组梳齿电容，所述的梳齿二13与梳齿三14也构成另一组或多组梳齿电容。

所述的质量块19及连接端一16、连接端二17、连接端三18与压力敏感膜片3表面相应的区域开有孔的阵列，孔可以为矩形、三角形、圆形、多边形或者其任意组合形状。

所述的弹性梁15可以为直梁、弯梁或折叠梁。

本发明提出的基于滑膜差动结构的硅谐振式压力传感器的第一种制作方法包括以下步骤：

a.取SOI硅片，下表面光刻并刻蚀形成压力敏感膜片3，上表面全部或选择性浓硼或浓磷掺杂得到电极一5、电极二6、电极三11，同时上表面可以选择沉积金属并图形化进一步完善电极；