[发明专利]MEMS压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS压力传感器，具体涉及感测谐振MEMS器件的空腔内的压力。

背景技术

在MEMS制造过程中，通常将微结构封装在密闭的微空腔内，以保持真空条件以便MEMS器件的正确操作。微空腔具有非常小的体积(典型地200×200×2μm³)，漏气或放气很容易破坏真空。因此，重要的是具有一种在产品发布期间、在产品工艺的资格审核期间、或甚至在谐振MEMS器件的操作期间监控微空腔中的压力的装置。

图1示出了频率为25.8MHz的体模式计时谐振器(bulk mode timing resonator)的振荡幅度(S12)的压力依赖性。对于10mbar(1kPa)以上的压力，谐振幅度开始劣化。

从图1中可以看出，当压力范围在1mbar以上时，由于空气阻尼，适于用作MEMS振荡器的计时器件的高频(HF)谐振器(高达100MHz，但是典型地对于弯曲模式谐振器而言比对于体模式谐振器而言低)具有有限的Q因子。起到计时器件作用的谐振器应当给出恒定的性能(稳定的振荡频率和足够的振荡幅度)，因此需要在真空中的操作。因此，与HF计时器件自身相比，用于在批量生产中测试MEMS谐振器的空腔真空的压力传感器应当对较低的压力更灵敏。如果可能的话，还应当将压力传感器集成在MEMS微空腔中。

已知多种压力传感器构思，例如：

皮拉尼热线(pirani heat wire)，基于气体的热导率；

膜片(diaphragm)，基于隔膜偏转；

热和冷阴极，基于气体的电离化。然而，如在MEMS器件中一样，对于高纵横比小型化，需要非常高的磁场以达到足够长的电子路径，从而对于气体压力灵敏；

石英和硅的谐振悬臂和音叉，基于气体的阻尼力。

如谐振器和陀螺仪一样，谐振MEMS器件的性能的压力依赖性是阻尼效应的结果。运动方程是：

m*a+b*v+k*x＝F        (1)

其中：

m是有效谐振器质量；

a是加速度；

b是阻尼系数；

v是速度；

k是弹簧常数；

x是位移；以及

F是驱动力，如，电极间隙上的静电力。

对于解x＝Asin(ω*t)，(2)

弹簧的势能项的幅度与以下成比例：

m*A*ω²              (3)

在以下替换之后对于力的动能也是如此：

ω²＝k/m。           (4)

同时阻尼项具有幅度：

b*A*ω。             (5)

如果阻尼项(5)与动能项(3)相当，则阻尼很大。对于越高频率的器件，阻尼相对越低。基于该原理，得到了用于测量振幅或耗散的变化的压力传感器。然而，机械谐振器的运动电阻随时间并不十分稳定，这使得在随时间测量绝对压力尤其是低压力的过程中这些谐振器是不可靠的。

因此，需要一种压力传感器方法，该方法更稳定，并且可以使用与需要压力感测的MEMS器件所使用的技术相同的技术来容易地实现该方法。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于感测MEMS器件附近的压力的MEMS压力传感器，包括：

具有压力传感器谐振器元件的单片谐振MEMS器件，所述压力传感器谐振器元件包括开口阵列，其中，谐振MEMS器件的谐振频率是压力传感器附近的压力的函数，谐振频率随压力而增大，使得在0到0.1kPa的压力范围上，频率的平均相对变化是至少10^-6/Pa。

在本文中，至少10^-6的频率相对变化是指频率从f增大到f+Δf，其中，Δ是至少10^-6。这还可以被看作是频率的少量变化(fractional change)。

该器件示出了在压力增大的情况下增大的谐振频率。空腔中的气体起到附加弹簧的作用，并引起硬化。优选地，使用窄蚀刻缝隙(narrow etch slit)和盘穿孔(plate perforation)来防止气体在振荡期间从谐振器间隙逸出。受阻尼的MEMS谐振器的谐振频移在毫巴(1mbar＝0.1kPa)范围(努森状态，Knudsen regime)内。

本发明基于以下认识：对于快速振荡，弹力引起谐振频率发生移位。因此，可以由其谐振频率对压力灵敏的器件来感测压力。