[发明专利]一种谐振式压力传感器的制备方法

说明书

本发明提供一种谐振式压力传感器及其制作方法，所涉及的谐振器采用基于SOI硅基的硅梳齿双端固定音叉结构的谐振器结构。谐振器内部通过两块压阻材料(经过工艺掺杂后的硅)和两个等效电阻(未掺杂的硅)形成惠斯通电桥，通过压力变化改变压阻材料的阻值变化从而检测谐振频率的变化。并基于硅岛结构，设计出压力传感器结构，将在压力敏感薄膜上的形变通过硅岛结构转化为谐振器方向上的平面振动，不仅降低了传感器的机械耦合，提高了品质因数，而且测量范围更广，可靠性更高。

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种微惯性传感器，具体涉及一种基于静电激励/阻检测的谐振式压力传感器及其制备方法。

背景技术

当今基于MEMS技术的硅微压力传感器在战机等军事领域的应用极为广泛，其中包括飞行数据系统、环境与舱压、机身中的液压系统、引擎与辅助电源设备，以及其它各种应用，比如舱门、氧气罩、飞行试验与结构监控。航空器、喷气飞机、螺旋桨飞机和直升机中使用的压力传感器数量也非常庞大。因此对传感器的性能指标(包括高精度、灵敏性等)以及在复杂环境下的可靠性的要求也越来越严格。针对现代军事对高精度压力传感器需求，设计发明一种复杂环境高性能高精度硅谐振式压力传感器。

相对传统的MEMS压力传感器，硅微谐振式压力传感器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，既能与计算机直接接口，也容易组成直接显示数字的仪表。由于其精度主要受结构机械特性的影响，因此其抗干扰能力很强，性能稳定。除此之外，硅微谐振式压力传感器还具有响应快、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。

针对现有的硅微谐振式压力传感器当压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度会发生变化，而激励与检测梳齿位置不动，因此激励力和检测信号均会减小，这样不仅增加了闭环控制的难度，同时也会对传感器精度产生影响，因此存在着不稳定激励与检测的问题；以及传感器的谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片因此精度受同振质量影响等问题。本发明将谐振器设计为双端固支梳齿与压敏电阻结合的结构，工作振型为两个质量块平行于压力敏感膜片的面内动平衡反向振动，谐振器的振动方向与压力敏感膜片的受压变形方向互相垂直，且二者具有足够大的频率间隔。抑制谐振器与压力敏感膜片的能量耦合，传感器精度基本上不受同振质量影响，为了检测谐振器的固有频率本发明采用静电激励/压阻检测的方式。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术缺陷，本发明提供一种基于静电激励/压阻检测谐振式压力传感器及其制备方法，该MEMS压力传感器基于静电激励和压阻检测的方式，设计基于硅梳齿双端固定音叉结构的谐振器结构。通过压力变化改变压阻材料的阻值变化从而检测谐振频率的变化。并基于硅岛结构，设计出压力传感器结构，将在压力敏感薄膜上的形变通过硅岛结构转化为谐振器方向上的平面振动，不仅降低了传感器的机械耦合，提高了品质因数，而且测量范围更广，可靠性更高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种谐振式压力传感器，包括：矩形的底层SOI晶圆，所述底层SOI晶圆呈回字形，中部设有空腔；所述空腔的底部设有一层压力检测敏感薄膜；所述空腔内设有四个位置相互对称的硅岛，所述硅岛与所述压力检测敏感薄膜的顶面固定连接；四个硅岛的顶部悬有谐振器；所述底层SOI晶圆的四角均设有接触焊盘，每个接触焊盘依次通过L型轨道和S型弯曲轨道与所述谐振器连接。

所述谐振器整体为对称结构，包括两个压敏电阻、两个感测压力变化的质量块、四块谐振器固定端、八根支撑梁以及两个梳状电容器；其中：两个压敏电阻对称设置于所述谐振器的正中位置；所述两个质量块分别设置在两个压敏电阻的两端；两个梳状电容器分别设置在两个质量块的两端；八根支撑梁分别对两个质量块进行支撑。

四块谐振器固定端分别固定在四个硅岛的顶部，且分别与八根支撑梁固定连接。

一种谐振式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：