一种作为二次敏感结构的高Q值谐振梁结构的制作方法

本发明属于微机电系统领域，具体涉及一种作为二次敏感结构的高q值谐振梁结构。

背景技术：

谐振式压力传感器是一类典型的通过改变其等效刚度敏感压力变化的谐振式传感器，具有体积小，重量轻，功耗低，测量精度高，稳定性好，易批量生产，直接输出数字量，易于计算机通讯等优点，一直是各国研究和开发的重点。对于直接敏感模式，压力直接作用于谐振敏感结构上，改变其等效刚度；对于间接敏感模式，包括两个敏感环节，即直接感受压力的一次敏感结构和间接感受压力的二次敏感结构。二次敏感结构多为简单的双端固支梁谐振敏感结构，压力通过一次敏感结构转换为作用于谐振敏感结构上的集中力(f)，改变谐振敏感结构的频率。谐振敏感结构间接敏感压力，被测压力不与谐振敏感结构相互作用，谐振敏感结构可以封装于真空中，有利于保持敏感结构的高品质因数，使谐振式压力传感器有很好的工作性质与性能指标。

目前，国内外已有许多科研机构在进行相关研究并已有相关产品问世。典型的产品有英国druck公司利用浓硼自停止刻蚀技术制作的“蝶形梁”结构，采用静电激励/电容检测的工作方式，其二次敏感结构由两个中间连接的矩形板和v形支撑梁构成，振动方式为两矩形板的反向扭转，0.133pa真空下q值大于10000，由于二次敏感结构振动方向垂直于压力敏感膜片，二次敏感结构通过压力敏感膜片与外界发生能量耦合；同时，浓硼自停止刻蚀结构自身的内应力及厚度等工艺问题也限制了其应用；日本的yokogawa也于上世纪90年代中期研制和生产了一种电磁激励/电磁检测硅谐振式压差传感器，通过在6.8mm×6.8mm×0.5mm的单晶硅体上制作感压膜片，在膜片上表面采用外延掺硼技术制作两个h形硅谐振梁(1200μm×20μm×5μm)，一个位于膜片中央，另一个位于膜片边缘处，形成感受压差的复合体，硅梁通过反应密封技术封装在局部真空腔内，q值高达50000，但是考虑到必须外加恒定磁场，传感器难以实现微型化，并且其选择性外延生长多晶硅薄膜需要控制严格的工艺参数来保证薄膜的质量，对mems加工工艺水平要求较高。

美国的schlumberger公司的航空传感器分公司在1991年研制出了一种静电激励/压阻检测的硅谐振式压力传感器，其芯体结构由上下硅片采用硅-硅键合技术连为一体，双端固支梁制作在膜片上表面中央浅槽上方，真空封装后q值为60000。由于谐振梁振动方向垂直于压力敏感膜片，二者之间不可避免的存在一定程度上的能量耦合；虽然上述两种传感器已经实现市场化，但是其共同存在的问题是结构复杂、制作成本高、成品率相对较低，依我国现有的微机械加工工艺技术水平，加工难度很大。

国内中科院电子所从2008年开始电磁激励硅谐振式压力传感器研究，目前共研发了三种电磁激励/电磁检测的硅谐振式压力传感器。第一种谐振器为三组h形双端固支梁，真空下q值为10000，第二种谐振器为三组双端音叉谐振梁，真空下q值大于10000。第三种为改进的三组双端音叉谐振梁结构，利用四组h形谐振梁工作于待测压力环境实现差分检测。常压下q值为1200，1kpa气压下q值为2600，谐振器q值会随着待测压力环境变化而变化，不利于闭环控制，会对传感器精度产生影响。三种结构的谐振器和压力敏感膜片均采用浓硼自停止刻蚀技术一体制作，谐振器采用侧向振动以减小与压力敏感膜片之间的能量耦合，但是结构版图复杂，加工难度较大。西北工业大学从2005年开始硅谐振式压力传感器的研究。2007年研制出一种三明治结构的静电激励/电容检测的硅谐振式压力传感器，其谐振器为采用各向异性刻蚀技术镂空的花瓣状结构，常压下q值为34，谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片。后续又在前期研究基础上利用绝缘体上硅(soi)深硅刻蚀技术研制出一种侧向动平衡硅微机械谐振压力传感器，选用差动梳齿结构设计，采用静电激励/电容检测方式，谐振器采用侧向动平衡往复振动，常压下q值为1250，5pa真空下q值为50000。上述两种结构存在结构复杂，制作工艺和版图均比较复杂，加工难度大等问题。

北京航空航天大学从20世纪90年代初开始硅谐振式压力传感器的研究，目前共研发了两种电热激励/压阻检测的硅谐振式压力传感器。第一种结构谐振器为双端固支梁，真空下q值为5195。2011年汤章阳进一步提出一种温度自补偿的双谐振梁硅谐振压力传感器，其中一个谐振梁位于感压膜片上表面中心位置用于敏感压力，另一个谐振梁位于边缘非压力敏感区用于补偿温度。虽然两种传感器芯体结构简单，但是两种结构谐振器振动方向均垂直于压力敏感膜片，由于二者之间的能量耦合干扰，传感器q值提高受到一定限制。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、q值较高的作为二次敏感结构的高q值谐振梁结构。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种作为二次敏感结构的高q值谐振梁结构，由第一谐振梁1、第二谐振梁2、支撑岛、衬底3组成；第一谐振梁1、第二谐振梁2平行并排放置；第一谐振梁1的两端分别固定于第一支撑岛11、第二支撑岛12上表面；支撑岛包括第一支撑岛11、第二支撑岛12、第三支撑岛21、第四支撑岛22；衬底3上表面为平面；第一谐振梁1的两端分别固定于第一支撑岛11、第二支撑岛12上表面；第二谐振梁2的两端分别固定于第三支撑岛21、第四支撑岛22上表面；第一支撑岛11、第二支撑岛12、第三支撑岛21和第四支撑岛22上下表面平行且厚度相同，下表面固定于衬底3上表面；第一谐振梁1、第二谐振梁2由同一层原材料刻蚀而成，结构形状尺寸均相同，厚度方向与衬底3上表面垂直，梁宽度大于厚度；第一支撑岛11、第二支撑岛12、第三支撑岛21、第四支撑岛22由同层材料加工而成，形状尺寸均相同。

所述第一谐振梁1、第二谐振梁2间隔距离不超过梁宽度的10倍；

所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2可以在soi晶圆器件层刻蚀出第一谐振梁1、第二谐振梁2形状，选择性去除埋氧层的二氧化硅获得支撑岛和悬浮的梁结构；

所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2可以采用硅硅键合工艺加工，选取soi硅片进行减薄、抛光形成梁膜，将梁膜和衬底3键合到一起，利用各向异性刻蚀获得悬浮的梁结构；

所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2可以在带有牺牲层的硅片上表面cvd生长多晶硅薄膜并选择性去除局部的二氧化硅获得；

所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2可以用石墨烯薄膜制备；

所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2采用的激励方式均为静电激励，采用的检测方式可以为电容检测、压阻检测或压电检测；

所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2采用的激励方式均为电磁激励，采用的检测方式可以为压阻检测、压电检测或电磁检测；

所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2采用的激励方式均为压电激励，采用的检测方式可以为压阻检测、压电检测；

所述的第一谐振梁1、第二谐振梁2活动区域长度为l。

本发明的原理和工作过程：机械品质因数(q值)是衡量谐振器机械性能的最重要的参数，谐振器q值的高低，取决于振动系统能量损失的多少，因此，欲提高传感器的q值，必须在设计和制造过程中采取对应的措施，降低谐振器振动能量的损耗。

谐振梁两端固支区域受到梁在振动过程中产生的剪力和弯矩影响而变形，同时固支区域通过支撑岛结构将梁振动能量传递到衬底。衬底直接与空气接触，所以可以通过优化敏感结构设计减小通过支撑岛处耗散的能量来提高谐振梁的q值。

根据分析在衬底3上方并排平行放置两个参数一致的谐振梁，衬底3采用一种在被测量作用下产生变形，使支撑岛发生相对位移的结构，实际工作时，二者所受激励力幅度相同，方向相反，通过二者的振动抵消减小谐振梁通过支撑岛传递到衬底3耗散出去的能量，从而达到提高q值的目的。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明基于双端固支梁设计了可用作二次敏感结构的高q值谐振梁结构，结构简单，相对于现有的横向振动深刻蚀敏感结构，可利用soi硅片器件层进行各向异性刻蚀获得梁结构，降低了加工难度和成本，成品率高；

(2)本发明采用独特的双工作梁结构，通过双谐振梁反向振动抵消谐振梁与衬底之间的能量耦合，从而达到提高q值的目的。

附图说明

图1为一种可用作二次敏感结构的高q值谐振梁结构；

图2为谐振梁结构的轴视图；

图3为谐振梁结构的a-a’面剖视图；

图4为谐振梁结构静电激励/压阻检测电路示意图；

图5为带补偿梁的谐振梁整体结构；

图6为静电激励/压阻检测示意图；

图7为电磁激励/压阻检测示意图；

图8为加工完成后的结构图；

图9为第一谐振梁1、第二谐振梁2在带有牺牲层的硅片上表面cvd生长多晶硅薄膜并选择性去除局部的二氧化硅获得的示意图；

图10为加工完成后的结构俯视图；

图11为在衬底3上方非敏感压力区域设置一组谐振梁的示意图；

图中附图标记含义为：1为第一谐振梁，2为第二谐振梁，11为第一支撑岛，12为第二支撑岛，21为第三支撑岛，22为第四支撑岛，3为衬底，13为第一压敏电阻，14为第二压敏电阻，23为第三压敏电阻，24为第四压敏电阻，4为补偿第一谐振梁，5为补偿第二谐振梁，41为补偿第一支撑岛，42为补偿第二支撑岛，51为补偿第三支撑岛，52为补偿第四支撑岛。

具体实施方式

下面结合一种具体实施方式及其附图详细介绍本发明。

本实施例为一种作为二次敏感结构的高q值谐振梁结构，由第一谐振梁1、第二谐振梁2、支撑岛和衬底3组成；支撑岛包括第一支撑岛11、第二支撑岛12、第三支撑岛21、第四支撑岛22；第一谐振梁1、第二谐振梁2由同一层原材料刻蚀而成，结构形状尺寸均相同，厚度方向与衬底3上表面垂直，梁宽度大于厚度，谐振梁活动区域长度为l。第一支撑岛11、第二支撑岛12、第三支撑岛21、第四支撑岛22由同层材料加工而成，形状尺寸均相同。

本实施例结合硅谐振式压力传感器进行介绍，如图1所示，采用soi晶圆进行加工，在顶层硅刻蚀出工字形简单梁形状，选择性去除埋氧层的二氧化硅获得支撑岛3和悬浮的梁结构，在衬底硅层刻蚀深槽获得衬底3；第一谐振梁1、第二谐振梁2并排平行放置，间隔距离不超过梁宽度的10倍。

第一谐振梁1的两端分别固定于第一支撑岛11、第二支撑岛12上表面；第二谐振梁2的两端分别固定于第三支撑岛21、第四支撑岛22上表面；第一支撑岛11、第二支撑岛12、第三支撑岛21和第四支撑岛22上下表面平行且厚度相同，下表面固定于衬底3上表面；第一谐振梁1、第二谐振梁2由同一层原材料刻蚀而成，结构形状尺寸均相同，厚度方向与衬底3上表面垂直，梁宽度大于厚度；第一支撑岛11、第二支撑岛12、第三支撑岛21、第四支撑岛22由同层材料加工而成，形状尺寸均相同。

为保证第一谐振梁1、第二谐振梁2垂直衬底3上表面反向振动，二者的振动激励可采取多种实现方式。比如可以采用静电激励/压阻检测方式，静电激励方式原理示意图如图4所示，以衬底3自身为电极实现静电激励，在第一谐振梁1两端表面对称设置两个参数一致的压敏电阻对(第一压敏电阻13、第二压敏电阻14)、第二谐振梁2两端表面对称设置两个参数一致的压敏电阻对(第三压敏电阻23、第四压敏电阻24)，所有焊盘位置也相对于梁中点保持对称，利用差分放大电路处理两个压敏电阻的输出信号，实现耦合干扰的抵消，二者施加静电激励信号极性相反，静电激励/压阻检测电路示意图如图5所示。

还可以采用电磁激励/压阻检测方式，电磁激励方式原理示意图如图6所示，在谐振梁表面覆盖导电薄膜，并置于y方向的磁场中，在导电薄膜内通过交流激励电流：

ix(t)＝ixcosωt

即可产生交变电磁力(安培力)，实现交流激励。

x位置长度为dx的导线微元受到力元：

受到力元作用，该力元为z方向(法向)交变力。于是谐振梁受到法向交变分布力作用，产生法向振动。在将第一谐振梁1、第二谐振梁2导电薄膜内通过方向相反的交流激励电流，产生相位相反的交变电磁力，实现双梁反向振动，电磁激励/压阻检测示意图如图7所示。

第一谐振梁1、第二谐振梁2也可以采用硅硅键合工艺加工，在硅片背面刻蚀深槽获得衬底3，选取soi硅片进行减薄、抛光形成梁膜，将梁膜和衬底3键合到一起，利用各向异性刻蚀获得悬浮的梁结构，该结构中支撑岛连成一个整体，具体的工艺细节可参考现有成熟工艺，加工完成后的结构如图8所示，俯视图参考图10；

第一谐振梁1、第二谐振梁2也可以在带有牺牲层的硅片上表面cvd生长多晶硅薄膜并选择性去除局部的二氧化硅获得，如图9所示，在硅片表面刻蚀浅槽，淀积二氧化硅并抛光磨平，在上表面采用cvd生长多晶硅薄膜，选择性去除局部的二氧化硅获得悬浮的谐振梁结构，具体的工艺细节可参考现有成熟工艺，该结构中支撑岛3连成一个整体，结构的俯视图同样参考图10；

第一谐振梁1、第二谐振梁2也可以用石墨烯薄膜制备；

如图11所示，可在衬底3上方非敏感压力区域设置一组谐振梁，不敏感被测压力的变化，只敏感与谐振工作梁相同的环境因素如温度等的实时变化，谐振补偿梁与工作梁的结构参数与激励检测方式均一致，检测时通过差分计算二组谐振梁的频率差值即可获得谐振工作梁的谐振频率的理想值，达到实时补偿的目的。