一种基于soi工艺的高精度硅微谐振式气压传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于SOI工艺的电磁激励电磁检测的高精度硅微谐振式气压传感器。其核心部件是传感器芯片，由包含SOI工艺制作的单晶硅H型谐振器及单晶硅压力敏感膜的SOI硅片和带有引线通孔的硼硅玻璃盖片通过真空阳极键合形成。单晶硅H型谐振器工作于参考真空中，不受待测气压介质的影响，品质因数较高，频率输出稳定。本发明在实现圆片级真空封装的同时，解决了圆片级封装引线困难的问题。
【专利说明】—种基于SOI工艺的高精度硅微谐振式气压传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子机械系统中的MEMS气压传感器技术，具体涉及一种基于SOI工艺的高精度娃微谐振式气压传感器。
【背景技术】
[0002]微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystems,简称 MEMS)是一种在融合多种微细加工技术，利用从半导体技术中发展而来的成熟技术，MEMS器件可进行大批量、低成本生产。另外，MEMS器件普遍具有体积小，稳定性好等特点，在航空航天、汽车制造等多个领域中广泛应用。
[0003]谐振式气压传感器的输出检测信号由谐振器的振动频率信号直接转换而成，相对于电容式、电阻式和压电式等输出的幅度信号(主要是电压幅值)，频率信号具有更高的稳定性和抗干扰能力。
[0004]现有硅微谐振式气压传感器的敏感结构一般被设计为由谐振器和气压敏感膜组成，被测气压经气压敏感膜转换为膜片的应变，膜片的应变使谐振梁受到轴向应力作用，从而改变其刚度特性，进而使得谐振梁的频率发生改变，通过测量谐振梁的频率来获得气压的大小。
[0005]为实现气压测量，通常要在气压敏感膜一侧形成真空参考腔。为提高性能，谐振器也需要被放置在真空环境下。日本横河电机公司采用片上真空密封的方法(参考专利申请“Vibration type pressure sensor”,专利申请号:US2006/0010981 Al),实现谐振器的真空密封。申请号为CN201010247579.3的专利申请提到了金属管壳真空封装的方法，通过单次真空封装同时实现谐振器的真空密封和真空参考腔的建立，但是这种单芯片封装的方法，生产效率低、产品成本偏高。专利申请CN201010218423.2提到了采用中间层键合技术的圆片级封装，经过半导体工艺制作好的基片与下盖基片通过树脂材料来进行黏合键合，形成真空参考腔，实现圆片级封装。
[0006]然而CN201010218423.2所提到的方法将没有将四个谐振器放置于真空参考腔内，使得谐振器暴露在大气中，大大降低了谐振器的品质因数。
[0007]另外，中间层键合技术采用的有机材料会引入较大应力，影响气压传感器的输出稳定性。
【发明内容】
[0008]为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于SOI工艺的高精度硅微谐振式气压传感器，其包括:传感器芯片(I)，所述传感器芯片(I)包括SOI硅片(9)和硼硅玻璃盖片(10)，所述SOI硅片(9)上具有两个H型谐振器(11)、支撑锚点(12)和气压敏感膜(13);所述H型谐振器(11)通过所述支撑锚点(12)固支于所述气压敏感膜(13)上；所述硼硅玻璃盖片(10)与所述SOI硅片(9)通过阳极键合地方式紧密地结合成一体，围成真空参考腔(16)，使得所述两个H型谐振器(11)被密封在所述真空参考腔中。[0009]本发明与现有技术相比，有显著优点:(1)利用阳极键合的方法实现圆片级真空封装，在减小应力、提高传感器输出稳定性的同时能够提高生产效率、降低成本降低了芯片封装成本；(2)封装在真空密封腔的谐振器品质因数较高，输出更加稳定，气压传感器能够获得更高的分辨率；(3)传感器芯片可直接采用金丝球焊的方法引出导线，解决了圆片级封装引线困难的问题；(4)采用电磁激励和电磁检测的方法，有效地补偿谐振器的能量消耗，提高了传感器品质因数；(5)传感器加工工艺简单，成品率高，适于批量生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明提出的传感器芯片的结构剖面示意图；
[0011]图2是本发明提出的传感器芯片的解剖图；
[0012]图3是本发明提出的传感器芯片上H型谐振器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0013]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0014]如图1和2所示，本发明提出了一种基于SOI工艺的电磁激励电磁检测的高精度硅微谐振式气压传感器，该传感器包括传感器芯片1、应力隔离层2、金属管座3、管帽4和磁铁5。其中，传感器芯片I通过应力隔离层2固定在金属管座3上；金属管座3置有八个管针6，通过金丝球焊的引线7与传感器芯片I上引线孔8中的金属电极相连，起到电信号引出的作用；磁铁5固定在带有导气孔的管帽4上，管帽4盖在金属管座3上，其下端与金属管座3周缘密封固接。
[0015]其中，为了进一步减小热应力对器件的影响，应力隔离层2只固定传感器芯片I的一角。传感器芯片1、应力隔离层2和金属管座3三者可以通过环氧胶粘接在一起，起到固定和支撑芯片的作用。为保护芯片以及金丝球压焊的引线，带有磁铁的管帽4盖在金属管座上，其下端通过环氧胶与金属管座周缘固接。
[0016]传感器芯片I由SOI硅片9和硼硅玻璃盖片10组成。SOI硅片9上有两个H型谐振器11、八个支撑锚点12、气压敏感膜13、八个引线端14和真空密封框15 ;硼硅玻璃盖片10上制作了引线孔8和真空密封腔16，通过阳极键合的方法与SOI硅片9紧密地结合在一起，形成真空参考腔16，使得所述两个H型谐振器11被密封在所述真空参考腔16内。
[0017]通过光刻、深刻蚀等半导体工艺，在SOI硅片9上重掺杂的低阻单晶硅器件层上制作所述两个H型谐振器11、八个支撑锚点12、八个引线端14和真空密封框15，而所述气压敏感膜13由SOI硅片9的基底层通过深刻蚀制作而成。其中两个H型谐振器11悬空，两个H型谐振器11中每一个的四个端点各自通过所述八个支撑锚点12固支于气压敏感膜13上。所述H型谐振器11的单根梁与支撑其的相应两个支撑锚点12和两个引线端14构成驱动电流(或检测电流)的通路。其中每个引线端14通过沟槽与周围隔离开，防止发生短接。通过化学腐蚀或者精密机械加工或者激光加工等方法，在硼硅玻璃盖片10上制作引线孔8和真空参考腔16。最后通过阳极键合的方法将硼硅玻璃盖片10与SOI硅片9紧密地结合在一起，围成真空参考腔。
[0018]如图3所示，所述H型谐振器11由两根长度、宽度和厚度完全一致的双端固支矩形梁构成，两根梁的中心部位用一个厚度与梁一样的矩形块连接，这样能确保两根梁在低阶频率时能够同时同相同频振动。
[0019]所述H型谐振器11采用电磁激励检测的方式实现传感器的信号检测和输出，当H型谐振器11的单根梁通过交变电流时，由于磁铁提供了垂直于纸面方向的磁场，所述H型谐振器11受到平行于纸面的安培力。当通过的交变电流频率与谐振器的固有频率一致时，谐振器振动幅度最大，另一根单梁由于切割磁感线产生了交变电动势，因此会对外输出电信号，而此电信号频率与所述H型谐振器11固有频率相同。
[0020]由于气压敏感膜13的一侧为真空参考腔16，当有Z轴方向气体压力作用在气压敏感膜13的另一侧，气压敏感膜13将会发生形变。使得放置在气压敏感膜13边缘的H型谐振器11 (如图1所示的左边的H型谐振器)受到压应力，而另一个谐振器11受到拉应力。两个H型谐振器所受到的弯曲应力会导致其固有频率的变化，因此谐振器固有频率的大小能表征气压的大小。而由于H型谐振器11采用电磁激励电磁检测的方式，通过外部检测电路的驱动，可以将其固有频率转化为电信号输出，因此进一步就可以通过所输出的电信号频率的变化检测出气压的变化。
[0021]由于两个谐振器所受应力方向相反，且两个H型谐振器11的结构参数完全相同，按照应力分布双端固支于气压敏感膜的合适位置，在气压作用下两个H型谐振器11的固有频率变化方向相反，能够实现差分检测，使得器件灵敏度大幅提高。
[0022]综上所述，本发明的方案由于采用了两个谐振器的设计，有利于调整谐振器的长度和固支点的位置等参数；且本发明直接采用低阻硅进行导电，通过深刻蚀得到的沟槽和SOI硅片中的绝缘层来使不同的电流通路绝缘；本发明通过将谐振器封装在真空中，提高了传感器的品质因数；本发明还采用硅-玻璃阳极键合来完成真空封装，有效地提高了生产效率并降低了热应力。
[0023]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于SOI工艺的高精度娃微谐振式气压传感器,其包括传感器芯片(I),所述传感器芯片⑴包括SOI硅片(9)和硼硅玻璃盖片(10)，所述SOI硅片(9)上具有两个H型谐振器(11)、支撑锚点(12)和气压敏感膜(13);所述H型谐振器(11)通过所述支撑锚点(12)固支于所述气压敏感膜(13)上；所述硼硅玻璃盖片(10)与所述SOI硅片(9)通过阳极键合地方式紧密地结合成一体，围成真空参考腔(16)，使得所述两个H型谐振器(11)被密封在所述真空参考腔中。
2.根据权利要求2所述的气压传感器，其特征在于:所述两个H型谐振器(11)和支撑锚点(12)由所述SOI硅片(9)上重掺杂的低阻单晶硅器件层制作而成；所述的气压敏感膜(13)由所述SOI硅片的基底层制作；所述两个H型谐振器(11)悬空，其中每一个H型谐振器(11)的两根平行梁的四个端点各自通过支撑锚点(12)固支于气压敏感膜(13)上。
3.根据权利要求2所述的气压传感器，其特征在于:所述H型谐振器(11)由两根长度、宽度和厚度完全一致的平行双端固支矩形梁构成，两根平行梁的中心部位用一个厚度与梁一样的矩形块连接，以确保两根梁在低阶频率时能够同时同相同频振动。
4.根据权利要求3所述的气压传感器，其特征在于:所述SOI硅片(9)上还具有引线端(14)，所述H型谐振器(11)的两根平行梁中的一根与相应的两个支撑锚点(12)和两个弓丨线端(14)构成驱动电流的通路，而所述H型谐振器(11)的两根平行梁中的另一根则与相应的另外两个支撑锚点(12)和另外两个引线端(14)构成检测电流的通路。
5.根据权利要求1所述的气压传感器，其特征在于:采用电磁激励检测的方式实现所述气压传感器的信号检测和输出。
6.根据权利要求1所述的气压传感器，其特征在于:所述气压传感器还包括磁铁(5)；且当所述H型谐振器(11)的一根梁通过交变电流时，磁铁(5)提供垂直于纸面方向的磁场，所述H型谐振器(11)受到平行于纸面的安培力；而当通过的交变电流频率与所述H型谐振器(11)的固有频率一致时，所述H型谐振器(11)的振动幅度最大，且另一根梁切割磁感线产生交变感生电动势，进而输出与所述H型谐振器(11)固有频率相同的电信号。
7.根据权利要求1所描述的气压传感器，其特征在于:气压敏感膜(13)的一侧为真空参考腔(16)，当有Z轴方向气体压力作用在气压敏感膜(13)的另一侧时，气压敏感膜(13)发生形变，使得放置在气压敏感膜(13)边缘的H型谐振器(11)受到轴向压应力，而另一个H型谐振器(11)受到轴向拉应力，而所述另一个H型谐振器(11)所受到的轴向应力导致其固有频率发生变化，进而导致所输出的电信号发生变化，以此检测出气压的变化。
8.根据权利要求1所述的气压传感器，其特征在于:所述气压传感器还包括应力隔离层(2)，且所述应力隔离层(2)用于固定传感器芯片(1)的一角。
9.根据权利要求1所述的气压传感器，其特征在于，所述气压传感器还包括金属管座(3)和管帽(4)，所述传感器芯片(1)通过所述应力膈应层(2)固定在所述金属管座(3)上；所述蹦硅玻璃盖片(10)上还具有多个引线孔(8)，所述金属管座(3)上置有多个管针(6)，所述管针(6)通过金丝球焊的引线与所述引线孔⑶中的金属电极相连，起到信号引出的作用；所述管帽(4)盖在金属管座(3)上，其下端与金属管座(3)周缘密封固接。
10.根据权利要求1所述的气压传感器，其特征在于，所述SOI硅片(9)上还包括真空密封框(15)，所述真空密封框(15)由所述SOI硅片⑶上重掺杂的低阻单晶硅器件层制作而成，所述硼硅玻璃盖片(10)与所述真空密封框(15)紧密结合而形成所述真空参考腔(16)。
【文档编号】B81B3/00GK103900753SQ201210587264
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月28日 优先权日:2012年12月28日
【发明者】陈德勇, 曹明威, 王军波 申请人:中国科学院电子学研究所