[发明专利]一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片

说明书

技术领域

本发明涉及一种石英谐振式压力传感器，特别涉及一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片。

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单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，采用各向异性腐蚀和ICP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：

一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，包括石英梁7，石英梁7通过低应力粘接胶8粘接在硅基底1的正面上，石英梁7的四个对角分别与硅基底1正面上的四个对准标记12-1、12-2、12-3、12-4对准，硅基底1的背面与玻璃基底9封接在一起，玻璃基底9的正面腐蚀了凹槽11，凹槽11的中心加工了一压力孔10，压力孔10与大气相通，或者与另一被测气源相通形成差压式传感器；

所述的硅基底1正面经过ICP刻蚀形成U型凹槽2-1和矩形凹槽2-2，正面未被刻蚀区域形成了矩形粘接凸台4和两根硅梁，两根硅梁为第一硅梁6-1、第二硅梁6-2，矩形粘接凸台4和硅基底1的外围分别制作了第一对准标记12-1、第二对准标记12-2和第三对准标记12-3、第四对准标记12-4，硅基底1的背面腐蚀凹腔形成一个硅岛5，经正面和背面腐蚀后，硅基底1上的U型凹槽2-1和矩形凹槽2-2所对应的区域即构成压力敏感膜3。

所述的石英梁7由两端的第一基座13-1、第二基座13-2和中间腐蚀了矩形凹槽的两根单梁14-1、14-2构成，第一基座13-1上表面覆盖有两压焊块，分别为第一压焊块15-1和第二压焊块15-2，第一单梁14-1和第二单梁14-2的四周均覆盖有电极，并且电极分别与第一压焊块15-1和第二压焊块15-2连通，第一基座13-1、第二基座13-2、第一单梁14-1和第二单梁14-2的材料均为石英晶体，第一压焊块15-1、第二压焊块15-2以及两根单梁四周覆盖的电极材料为均为金或银，石英梁7的厚度为80~200μm。

所述的U型凹槽2-1和矩形凹槽2-2的刻蚀深度为60~100μm，且刻蚀深度一致。

所述的压力敏感膜3的厚度为30~60μm。

所述的第一硅梁6-1、第二硅梁6-2宽度为100~300μm，且宽度一致。

所述的凹槽11刻蚀深度为30~50μm。

所述的四个对准标记12-1、12-2、12-3、12-4围成的矩形区域与石英梁7的四个对角所围成的区域大小一致。