[发明专利]集成传感器芯片

说明书

本公开提供了一种集成传感器芯片，其包括单晶硅基片，以及设置在单晶硅基片同一表面的加速度传感器和压力传感器，其中，该压力传感器通过谐振感测嵌入在该单晶硅基片内的密闭腔体内外气压不相等情形下，第一悬臂梁结构的弹性形变数据来测量压力；该加速度传感器包括嵌入在单晶硅基片内的运动空腔，以及贴合该运动空腔上部且位于单晶硅基片上表面的第二悬臂梁结构，该加速度传感器通过谐振感测惯性运动下第二悬臂梁结构的弹性形变数据来测量加速度。由此可提高集成传感器芯片的灵敏度，相比于传统的压阻式及电容测量方法，其精度更高，响应速度更快。

技术领域

本公开涉及MEMS传感器技术领域，具体涉及一种加速度和压力传感器的集成传感器芯片。

背景技术

在航空航天、工业自动化控制、汽车电子、航海以及消费电子等领域中，需同时测量加速度、压力等参数。而随着MEMS技术的不断发展，硅微机械加工工艺的日趋成熟，集成硅微机械加速度传感器和压力传感器的复合传感器由于其价格低、精度高和适合于批量生产，而被广泛地应用于汽车胎压监测中。

如在汽车轮胎压力检测系统(TPMS)中，利用安装各轮胎里的压力传感器来实时检测轮胎气压情况，并将各个轮胎气压状况信息反馈到控制面板进行实时显示及监测，确保汽车安全运行。当轮胎气压过低或有渗漏现象存在时，系统会自动报警。轮胎中同时安装有加速度传感器模块，加速度传感器用于检测汽车是否在行驶，利用其对运动的敏感性，实现汽车移动即时开机，进入系统自检、自动唤醒。汽车高速行驶时，按运动速度自动智能确定检测时间周期，并通过辅助软件对汽车行驶过程中的安全期、敏感期和危险期进行监控并做出预警判断，以逐渐缩短巡回检测周期和提高预警能力、从而大大地降低系统功耗。

在某些特殊环境(轮胎)中，传感器系统由于环境或空间的原因无法设置电源，而且参数的检测无法通过常规的有线连接进行，需要采用无线无源的方式进行检测数据的传输。无线无源的MEMS传感器系统通常基于两种原理，一是基于电感耦合的LC回路，检测其谐振频率相对于被测参数的改变；二是基于表面声波的原理。其中，前者通过环境参数改变MEMS电容结构中某些关键参数(如：基板间距、介质介电常数等)来改变电容值，进而改变回路的谐振频率，所以选用电容式传感器是进行测量的优选方案。2005年，密歇根大学的A.D.DeHennis和K.D.Wise将电容式的压力、温度和湿度传感器进行集成，用于无源无线的传感器系统，但三种传感器为分别制造，工艺繁琐，而且使用的是体硅加工技术，以及晶圆键合的方法，所制得的传感器产品体积较大；最近的2011年，飞思卡尔半导体公司的A.C.McNeil等人成功的将使用薄膜工艺制造的电容式压力与温度传感器进行集成，但其传感器制造也较繁琐。

分析上述研究背景可知，目前MEMS多参数传感器的制造已有较多的报道，其中不乏全电容式的结构以用于电感耦合的无线无源传感器系统，但总的来说，使用体硅加工工艺制造的产品体积较大，而且多种传感器未能实现集成化制造，繁琐的制造工艺也在一定程度上增加了最终产品的成本。

发明内容

为了解决上述技术问题，本公开提供了一种集成传感器芯片，可以采用传统硅晶圆进行生产，成本低廉且具有较高的灵敏度，相比于传统的压阻式及电容测量方法，其精度更高，响应速度更快。

本公开提供了一种集成传感器芯片，其包括单晶硅基片，以及设置在单晶硅基片同一表面的加速度传感器和压力传感器，其中，

该压力传感器包括嵌入在单晶硅基片内的密闭腔体，以及贴合该密闭腔体上部且位于单晶硅基片上表面的第一悬臂梁结构，该第一悬臂梁结构夹持有第一压电薄膜，该压力传感器通过谐振感测前述密闭腔体内外气压不相等情形下的第一悬臂梁结构的弹性形变数据来测量压力；

该加速度传感器包括嵌入在单晶硅基片内的运动空腔，以及贴合该运动空腔上部且位于单晶硅基片上表面的第二悬臂梁结构，该第二悬臂梁结构夹持有第二压电薄膜，该加速度传感器通过谐振感测惯性运动下第二悬臂梁结构的弹性形变数据来测量加速度。