[发明专利]压电激振受拉式硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法

说明书

本发明提供了一种压电激振受拉式硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法，压力传感器芯片主要包括密封玻璃盖、谐振器层、压力敏感膜层、应力隔离垫、压电激励元件和电阻拾振元件，采用压力敏感膜片和谐振器复合结构，为二次敏感模式，谐振器层包括谐振梁和扭转梁，相邻的两根谐振梁一端的延伸部连接至同一悬置扭转梁，另一端与质量块连接，质量块中部设置有耦合梁，谐振器通过连接点与锚点连接，应力隔离垫上设有导压孔，压力由导压孔传递到矩形压力敏感膜片引起其变形，该变形通过锚点放大，传递到谐振器层，谐振梁和耦合梁外表面上分别布置有压电激励元件和电阻拾振元件，压电激励元件和电阻拾振元件分别通过导线与外部电路连接。

技术领域

本发明属于微纳制造与传感领域，具体涉及压电激振受拉式硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法。

背景技术

硅微谐振式压力传感器的工作机理是通过测量谐振器固有频率的变化间接测量压力，具有精度高、长期稳定性好、功耗低等特点，广泛应用于航天航空、气象数据采集、航海深度探测、工业控制等领域。但是目前国内所需要的高精度压力传感器有70％依赖于进口，并且采购较为困难，严重影响到我国高精度压力测量事业的发展，因此开展具有高精度的谐振式压力传感器研究至关重要。

谐振式压力传感器多采用二次敏感结构，谐振器作为二次敏感元件，其结构和性能受激励和检测方式影响。针对激励方式，目前现有的谐振式压力传感器主要包括电磁激励、静电激励、光激励和电热激励。静电激励仅需要两个电极，易于微型化，但缺点是电极间距的控制要求高；电磁激励需要用磁场，不易微型化；光激励需要利用光路进行激振，其光学系统设计复杂，微型化难度大；电热激励利用温度差引起热应力进行激振，缺点是温度稳定性和封装热应力影响较大。针对检测方式，谐振式压力传感器主要包括电磁检测、电容检测、光检测、电热检测和压阻检测，其原理和优缺点与激励方式相同。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种压电激振受拉式硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法，目的是提供一种小体积、低功耗、结构简单、易于生产、易于激励、易于检测和高精度的压力传感器。

压电激振受拉式硅微谐振压力传感器芯片，包括压力敏感膜层和设置在压力敏感膜层上的谐振器层，压力敏感膜层包括压力敏感膜和设置在压力敏感膜上的锚点；谐振器层包括两组相对平行设置的谐振梁，谐振梁上布置有压电薄膜，同一组谐振梁的一端连接至同一悬置扭转梁，另一端与质量块连接，两组谐振梁相对设置，四根谐振梁共同组成H型梁，质量块中部设置有耦合梁，耦合梁中部设置有拾振电阻，连接点通过柔性梁与谐振梁的外部框架连接，连接点与锚点固定连接。

进一步的，相邻的两个谐振梁之间设置有平衡块，平衡块一端与悬置扭转梁连接。

进一步的，压电薄膜为AlN压电薄膜，压电薄膜布置在谐振梁中性面的一侧。

进一步的，拾振电阻以耦合梁的中心线为对称轴对称布置。

进一步的，压力敏感膜外周设置有支撑边框，支撑边框与应力隔离垫连接。

进一步的，所述应力隔离垫上开设有导压孔，导压孔为通孔。

进一步的，柔性梁为蛇形。

进一步的，所述谐振器层和压力敏感膜层均采用4寸双面抛光N型硅片制成，密封玻璃盖和应力隔离垫均为Pyrex玻璃制作。

压电激振受拉式硅微谐振压力传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：对压力敏感膜硅片7进行双面热氧化，在压力敏感膜硅片7上下表面各形成一层氧化硅5；

步骤2：对步骤1得到的结构正面进行化学气相沉积氮化硅6，形成复合双掩膜；

步骤3：在步骤2得到的结构正面附上一层正性光刻胶，并在掩膜版下曝光，然后利用SF6气体反应离子刻蚀进行刻蚀二氧化硅5和氮化硅6复合掩膜，得到湿法掩膜窗口；