一种基于硅通孔技术的谐振式压力传感器及其制备方法与流程

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种基于硅通孔技术的谐振式压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、压力传感器是一种能够感测压力并且将压力信号转变为电信号的器件，mems(微机电系统)压力传感器广泛应用于各种工业实践领域，包括消费电子、医疗、汽车工业和航空航天等领域。常见的mems(微机电系统)压力传感器包括压阻式压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器、谐振式压力传感器等；其中，谐振式压力传感器由于其准数字输出具有高稳定性和高信噪比的特性，谐振式压力传感器比压阻式压力传感器和电容式压力传感器具有更高的精度和长期稳定性，在航空航天、工业控制和仪器校准等领域得到了广泛的应用。

2、现有的谐振式压力传感器通常与用于处理传感器的信号的专用集成电路(asic)芯片采用水平引线的方式来连接，使得封装后的器件尺寸过大，功耗较高；且灵敏度受到限制，无法满足更高的灵敏度要求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于硅通孔技术的谐振式压力传感器及其制备方法，缩小了谐振式压力传感器的体积，降低了功耗，并提高了谐振式压力传感器的灵敏度。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种基于硅通孔技术的谐振式压力传感器，包括衬底层、谐振式压力传感结构层、真空键合盖板、若干个通孔、若干个凸点、电路芯片、基板、封装球和封装外壳；其中，

3、衬底层，用于支撑谐振式压力传感结构层；其中，衬底层包括两个压力敏感膜，用于传递压力；

4、谐振式压力传感结构层，用于感应压力并产生对应的电信号；谐振式压力传感结构层包括底层和顶层，顶层包括激励电极、主谐振梁、传感电极、两个应力传递结构、两个扭转梁、两个连接梁、两个支撑梁和偏压电极；

5、真空键合盖板，用于保护谐振式压力传感结构层，减少外界对谐振式压力传感结构层的干扰；

6、通孔，用于引出谐振式压力传感结构层的电极，或，引出电路芯片的信号；

7、凸点，用于使得谐振式压力传感结构层与电路芯片产生电连接，或，使得电路芯片与基板产生电连接；

8、电路芯片，用于将电信号转化为谐振式压力传感器测得的压力值；

9、基板，用于传输电路芯片输出的信号；

10、封装球，用于作为谐振式压力传感器的输入或输出引脚；

11、封装外壳，用于保护谐振式压力传感器；其中，封装外壳包括透气口和透气隔膜，透气口，用于使外界流体通过；透气隔膜，用于使外界流体通过的同时隔绝杂质。

12、可选地，底层设置于衬底层上，顶层设置于底层上；主谐振梁位于激励电极和传感电极之间，主谐振梁的两端均从靠近主谐振梁到远离主谐振梁的方向依次设置有：支撑梁、连接梁、扭转梁和应力传递结构；顶层中除了激励电极、主谐振梁、传感电极、应力传递结构、扭转梁、连接梁和支撑梁以外的部分构成偏压电极。

13、可选地，主谐振梁、扭转梁、连接梁和支撑梁下方的底层部分被去除，主谐振梁、两个扭转梁、两个连接梁和两个支撑梁处于悬空状态。

14、可选地，主谐振梁、两个扭转梁、两个连接梁、两个支撑梁和偏压电极为一体化结构，以使主谐振梁、两个扭转梁、两个连接梁和两个支撑梁处于悬空状态。

15、可选地，激励电极和传感电极的周围设置有沿激励电极的轮廓和传感电极的轮廓绕行的沟槽；偏压电极通过沟槽与激励电极分隔开，偏压电极通过沟槽与传感电极分隔开。

16、可选地，两个应力传递结构在靠近主谐振梁的一侧上设置有第一开口；扭转梁设置于第一开口和连接梁之间。

17、可选地，衬底层还包括两个第二开口；其中，衬底层的部分被去除以形成第二开口，第二开口的开口方向为远离谐振式压力传感结构层的方向，第二开口的底部靠近谐振式压力传感结构层；衬底层中被去除后剩下的衬底层部分构成压力敏感膜。

18、可选地，衬底层和谐振式压力传感结构层构成叠层结构，扭转梁和应力传递结构位于压力敏感膜在谐振式压力传感结构层中的对应区域内。

19、第二方面，本发明实施例还提供了一种基于硅通孔技术的谐振式压力传感器的制备方法，用于制备如上所述的基于硅通孔技术的谐振式压力传感器，包括：

20、对衬底层进行预处理；

21、在预处理后的衬底层上制备谐振式压力传感结构层；谐振式压力传感结构层包括底层和顶层，顶层包括激励电极、主谐振梁、传感电极、两个应力传递结构、两个扭转梁、两个连接梁、两个支撑梁和偏压电极；

22、在衬底层上刻蚀出两个第二开口，得到两个压力敏感膜；

23、制备真空键合盖板，并在真空键合盖板中制备若干个第一通孔；

24、对真空键合盖板和谐振式压力传感结构层进行真空键合；

25、用导电材料填充若干个第一通孔，并在若干个第一通孔表面制备若干个导电电极；

26、在电路芯片中制备若干个第二通孔，并在电路芯片的两面上制备若干个导电电极；

27、通过若干个凸点对真空键合盖板和电路芯片进行键合，并对键合后的结构进行封装，得到基于硅通孔技术的谐振式压力传感器。

28、可选地，在预处理后的衬底层上制备谐振式压力传感结构层，具体包括：

29、在预处理后的衬底层上制备谐振式压力传感结构层的底层，并在底层上刻蚀出压力敏感膜对应的区域和顶层中的谐振结构对应的区域；谐振结构包括主谐振梁、两个扭转梁、两个连接梁、两个支撑梁；

30、在被刻蚀的区域上制备牺牲层，并对牺牲层进行平坦化，以使牺牲层与底层的高度一致；

31、在底层和牺牲层上制备顶层，并在顶层上刻蚀出激励电极、主谐振梁、传感电极、两个应力传递结构、两个扭转梁、两个连接梁、两个支撑梁和偏压电极；

32、去除牺牲层，以使谐振结构悬空。

33、实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例提供了一种基于硅通孔技术的谐振式压力传感器，包括衬底层、谐振式压力传感结构层、真空键合盖板、若干个通孔、若干个凸点、电路芯片、基板、封装球、封装外壳、透气口以及透气隔膜；谐振式压力传感结构层的顶层中包括激励电极、主谐振梁、传感电极、两个应力传递结构、两个扭转梁、两个连接梁、两个支撑梁和偏压电极；衬底层中包括两个压力敏感膜；本发明实施例的谐振式压力传感器中，两个压力敏感膜和主谐振梁构成双压力敏感膜与主谐振梁两端耦合的结构，使得气体压力作用于压力敏感膜引起形变，将应力变化传递给主谐振梁，从而使得与主谐振梁耦合的激励电极和传感电极产生变化的电信号，通过通孔传输给电路芯片减小了信号延迟，降低了电容、电感和功耗，并且可以进一步提高谐振式压力传感器的精度灵敏度，扩大了谐振式压力传感器的应用范围；本发明实施例的谐振式压力传感器在垂直方向上堆叠衬底层、谐振式压力传感结构层和电路芯片，通过通孔实现谐振式压力传感结构层和电路芯片之间的连接和信号传输，极大程度上缩小了封装后的谐振式压力传感器的体积；谐振式压力传感器的各个部件的尺寸均小于1cm，可以用在各种需要微型压力传感器尺寸的领域的高精度压力测量。本发明实施例还提供了一种基于硅通孔技术的谐振式压力传感器的制备方法，通孔中填充的导电材料为导电性能良好、具有低电迁移性且低成本的金属，降低了制备难度和制备成本；采用硅通孔技术制备通孔，具有缩小封装尺寸、缩短芯片间互连长度、实现高密度集成、减小传输延时噪声、降低芯片损耗、提高热膨胀可靠性的优势。