[发明专利]一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器有效
申请号: | 201310016227.0 | 申请日: | 2013-01-16 |
公开(公告)号: | CN103105248A | 公开(公告)日: | 2013-05-15 |
发明(设计)人: | 赵玉龙;程荣俊 | 申请(专利权)人: | 西安交通大学 |
主分类号: | G01L1/10 | 分类号: | G01L1/10;G01L9/00 |
代理公司: | 西安智大知识产权代理事务所 61215 | 代理人: | 贺建斌 |
地址: | 710049 陕*** | 国省代码: | 陕西;61 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 硅基双岛 结构 石英 谐振 式微 压力传感器 | ||
技术领域
本发明涉及一种石英谐振式压力传感器,特别涉及一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器。
背景技术
市场上压力传感器主要有电容式、压阻式及谐振式,电容式和压阻式输出的是模拟量,必须应用高精度调理电路对微弱信号进行处理,这些因素必然导致测量精度下降;而谐振式压力传感器是利用压力变化来改变物体的谐振频率,从而通过测量频率变化来间接测量压力,其输出为准数字频率信号,具有测量精度高,灵敏度高、分辨率高、抗干扰能力强,并且适用于长距离传输而不会降低其精度等优点,比较适合对压力进行高精度检测。
石英谐振式压力传感器具有品质因数高、重复性好、没有迟滞、时间稳定性好、耐化学腐蚀等优点,成为谐振式传感器中常见的一种类型,但目前国内外市场上主要是采用传统机械加工的石英谐振式压力传感器,体积大并且很难实现对微压的高精度测量,尤其在生物医学、航天等对传感器体积、重量有严格要求的领域,传统机械加工的石英谐振式压力传感器表现出明显的不足。
利用MEMS技术制造的微压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性高等优点成为世界范围内具有战略性的研究领域。而目前国内外对MEMS谐振式压力传感器的研究主要是硅微谐振式压力传感器,传感器的弹性元件和敏感元件均采用硅材料,利用硅工艺加工,不足在于很难加工出复杂的高品质因数的谐振器结构,并且对谐振器的激励和检测都比较困难。
结合石英谐振式压力传感器和MEMS压力传感器的优点,本发明采用高精度石英梁作为谐振器,MEMS加工的硅基底作为压力转换元件,利用石英晶体的压电特性很容易实现对石英梁谐振器进行压电激励和压电检测,可广泛应用于风洞测试,航空航天等领域。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提出一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器,采用各向异性腐蚀和干法刻蚀技术制作硅基底和石英梁,具有高灵敏度、高精度、高分辨率的优点。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种硅基双岛结构石英梁谐振式微压力传感器,包括壳体1,壳体1的空腔与壳体1上底部的压力孔9连通,压力孔9与大气相通,壳体1空腔内配置有传感器芯片和两个电极引脚10,传感器芯片由上至下依次是石英梁5、硅基底7和玻璃基底8,玻璃基底8与壳体1的空腔底部用环氧树脂胶粘接,并且玻璃基底8的进气孔8-3与压力孔9对正,硅基底7与玻璃基底8通过胶粘接或静电键合封接在一起,石英梁5两端基座粘接在硅基底7对应的凸台上,石英梁5基座上的压焊块5-5、5-6和两电极引脚10通过超声热压焊用金丝6连接在一起,压环3和壳体1上部通过螺纹连接固定在一起,连接处设有弹性密封圈2,压环3上的螺纹孔4与壳体1的空腔相连通;
所述的硅基底7正面经过ICP刻蚀形成“工”字型凹槽7-3和两个相同的第一矩形凹槽7-4、第二矩形凹槽7-5,正面未被刻蚀区域形成了两个矩形粘接凸台7-1和7-2,第一矩形粘接凸台7-1上制作了第一对准标记7-6和第二对准标记7-7,第二矩形粘接凸台7-2上制作了第三对准标记7-8和第四对准标记7-9,硅基底7的背面腐蚀凹腔形成第一硅岛7-10和第二硅岛7-11,经正面和背面腐蚀后,硅基底7上的“工”字型凹槽7-3所对应的区域即构成压力敏感膜7-12。
所述的石英梁5由两端的基座5-1、5-2和中间腐蚀了矩形凹槽的两根单梁5-3、5-4构成,第一基座5-1上表面覆盖有第一压焊块5-5,第二基座5-2上表面覆盖有第二压焊块5-6,第一单梁5-3和第二单梁5-4的四周均覆盖有电极,并且电极分别与第一压焊块5-5和第二压焊块5-6连通,第一基座5-1、第二基座5-2、第一单梁5-3和第二单梁5-4的材料均为石英晶体,第一压焊块5-5、第二压焊块5-6以及电极的材料为均为金或银,石英梁5的厚度为80~200μm。
所述的“工”字型凹槽7-3和两个矩形凹槽7-4、7-5的刻蚀深度为60~100μm,且刻蚀深度相同。
所述的压力敏感膜7-12的厚度为30~60μm。
所述的四个对准标记7-6、7-7、7-8和7-9尺寸相同,宽度为15~40μm。
所述的玻璃基底8中心加工了一进气孔8-3,直径为φ0.5mm~φ1mm,正面刻蚀了两个方形凹槽8-1、8-2,分别与硅基底7上的两个硅岛7-10、7-11对正,两个凹槽尺寸相同,刻蚀深度为30~50μm。
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