专利名称：一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种石英谐振式压力传感器，特别涉及一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片。
背景技术：
市场上压力传感器主要有电容式、压阻式及谐振式，电容式和压阻式输出的是模拟量，必须应用高精度调理电路对微弱信号进行处理，这些因素必然导致测量精度下降；而谐振式压力传感器是利用压力变化来改变物体的谐振频率，从而通过测量频率变化来间接测量压力，其输出为准数字频率信号，具有测量精度高，灵敏度高、分辨率高、抗干扰能力强，并且适用于长距离传输而不会降低其精度等优点，比较适合对压力进行高精度检测。石英谐振式压力传感器具有品质因数高、重复性好、没有迟滞、时间稳定性好、耐化学腐蚀等优点，成为谐振式传感器中常见的一种类型，但目前国内外市场上主要是采用传统机械加工的石英谐振式压力传感器，体积大并且很难实现对微压的高精度测量，尤其在生物医学、航天等对传感器体积、重量有严格要求的领域，传统机械加工的石英谐振式压力传感器表现出明显的不足。利用MEMS技术制造的微压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性高等优点成为世界范围内具有战略性的研究领域。而目前国内外对MEMS谐振式压力传感器的研究主要是硅微谐振式压力 传感器，传感器的弹性元件和敏感元件均采用硅材料，利用硅工艺加工，不足在于很难加工出复杂的高品质因数的谐振器结构，并且对谐振器的激励和检测都比较困难。结合石英谐振式压力传感器和MEMS压力传感器的优点，本发明采用高精度石英梁作为谐振器，MEMS加工的硅基底作为压力转换元件，利用石英晶体的压电特性很容易实现对石英梁谐振器进行压电激励和压电检测，可广泛应用于风洞测试，航空航天等领域。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，采用各向异性腐蚀和ICP刻蚀技术制作硅基底和石英梁，具有高灵敏度、高精度、高分辨率的优点。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，包括石英梁7，石英梁7通过低应力粘接胶8粘接在硅基底I的正面上，石英梁7的四个对角分别与硅基底I正面上的四个对准标记12-1、12-2、12-3、12-4对准，硅基底I的背面与玻璃基底9封接在一起，玻璃基底9的正面腐蚀了凹槽11，凹槽11的中心加工了一压力孔10，压力孔10与大气相通，或者与另一被测气源相通形成差压式传感器；所述的硅基底I正面经过ICP刻蚀形成U型凹槽2-1和矩形凹槽2-2，正面未被刻蚀区域形成了矩形粘接凸台4和两根硅梁，两根硅梁为第一硅梁6-1、第二硅梁6-2，矩形粘接凸台4和硅基底I的外围分别制作了第一对准标记12-1、第二对准标记12-2和第三对准标记12-3、第四对准标记12-4，硅基底I的背面腐蚀凹腔形成一个硅岛5，经正面和背面腐蚀后，硅基底I上的U型凹槽2-1和矩形凹槽2-2所对应的区域即构成压力敏感膜3。所述的石英梁7由两端的第一基座13-1、第二基座13-2和中间腐蚀了矩形凹槽的两根单梁14-1、14-2构成，第一基座13-1上表面覆盖有两压焊块，分别为第一压焊块15-1和第二压焊块15-2，第一单梁14-1和第二单梁14-2的四周均覆盖有电极，并且电极分别与第一压焊块15-1和第二压焊块15-2连通，第一基座13-1、第二基座13-2、第一单梁14_1和第二单梁14-2的材料均为石英晶体，第一压焊块15-1、第二压焊块15-2以及两根单梁四周覆盖的电极材料为均为金或银，石英梁7的厚度为8(Γ200μπι。所述的U型凹 槽2-1和矩形凹槽2-2的刻蚀深度为6(Γ100 μ m,且刻蚀深度一致。所述的压力敏感膜3的厚度为3(Γ60 μ m。所述的第一娃梁6_1、第二娃梁6_2宽度为10CT300 μ m,且宽度一致。所述的凹槽11刻蚀深度为30 50 μ m。所述的四个对准标记12-1、12-2、12-3、12-4围成的矩形区域与石英梁7的四个对角所围成的区域大小一致。与现有技术相比本发明的优点在于:采用石英梁作为谐振器，具有品质因数高、重复性好、稳定性好、没有迟滞，容易实现压电激励与检测等优点，利用石英的这些特性，设计的石英梁谐振式压力传感器可以实现高精度、高分辨率测量，更为关键的是，利用石英的正逆压电效应，很容易激励石英梁至谐振状态，并通过检测电路检测其谐振频率；而采用MEMS工艺制作硅基底具有尺寸精度好、可靠性高、成本低等硅微传感器所具有的优良特性，硅基底正面设计粘接凸台和背面设计硅岛可以提高线性度，正面设计两根硅梁可以提高传感器灵敏度，石央梁一端粘接在压力敏感I吴外围，另一端粘接在压力敏感I吴中央，粘接更各易，稳定性好，另外背面设计的硅岛还起过载保护作用，结合石英梁和硅基底二者的优点，本发明设计制作的硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器具有精度高、分辨率高、线性度好、稳定性好、抗过载等特点。
图1为本发明芯片结构示意图。图2为硅基底I的正面的结构示意图。图3为硅基底I的背面的结构示意图。图4为石英梁7的结构示意图以及谐振时梁的振型。图5为芯片过载保护示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。参照图1，一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，包括石英梁7，石英梁7通过低应力粘接胶8粘接在硅基底I的正面上，石英梁7的四个对角分别与硅基底I正面上的四个对准标记12-1、12-2、12-3、12-4对准，硅基底I的背面与玻璃基底9封接在一起，玻璃基底9的正面腐蚀了凹槽11，凹槽11的中心加工了一压力孔10 ；
经封装后的芯片正面与外界的待测气体相通，感受被测压力，芯片背面玻璃上的压力孔10与大气相通形成表压传感器，或者压力孔10与另一被测气源相通形成差压式传感器。参照图2，所述的硅基底I正面通过ICP刻蚀形成U型凹槽2-1和矩形凹槽2_2，刻蚀深度相同，均为6(Γ100 μ m，正面未被刻蚀区域形成了矩形粘接凸台4和两根相同的第一硅梁6-1、第二硅梁6-2，宽度为10(Γ300μπι，设计两根硅梁可以有效增加石英梁中的应力，提高传感器·灵敏度，矩形粘接凸台4和硅基底I的外围分别制作了第一对准标记12-1、第二对准标记12-2和第三对准标记12-3、第四对准标记12-4，四个对准标记完全相同，宽度为20 40 μ m。参照图3，所述的硅基底I的背面湿法腐蚀凹腔形成一个硅岛5，经正面和背面腐蚀后，硅基底I上的U型凹槽2-1和矩形凹槽2-2所对应的区域即构成压力敏感膜3，压力敏感膜3的厚度为3(Γ60 μ m。参照图4，所述的石英梁7由两端的基座13-1、13-2和中间腐蚀了矩形凹槽的两根单梁14-1、14-2构成，第一基座13-1上表面覆盖有两压焊块，分别为第一压焊块15-1和第二压焊块15-2，第一单梁14-1和第二单梁14-2的四周均覆盖有电极，并且电极分别与第一压焊块15-1和第二压焊块15-2连通，第一基座13-1、第二基座13-2、第一单梁14_1和第二单梁14-2的材料均为石英晶体，第一压焊块15-1、第二压焊块15-2以及两根单梁四周覆盖的电极材料一致，材料均为金或银，石英梁7的厚度为8(Γ200 μ m。石英梁7上的电极与激励检测电路连通后，利用石英晶体的逆压电效应，石英梁闭环自激振荡，谐振时的振动模态沿石英梁的宽度方向。参照图5，当外界压力过大时，硅岛5与玻璃基底9上的凹槽11底部接触，起过载保护作用，防止石英梁7或压力敏感膜3由于应力过大而破坏。本发明的原理是:外界待测气体压力P作用在芯片的压力敏感膜3正面上，大气压力或第二气体压力P。通过压力孔10作用在压力敏感膜3背面上，在正反面压力差的作用下，压力敏感膜3产生变形，该变形导致石英梁7弯曲变形，内部产生应力和应变，由于石英梁7的固有频率对应力变化极为敏感，忽略温度的影响，在一定范围内，固有频率与内部应力几乎成线性关系，在小挠度变形情况下，石英梁7的两根单梁14-1、14-2中的应力与压力敏感膜3正反面的压力差Λ P成正比，石英梁7的谐振频率与待测气体表压具有较好的线性关系，因而通过检测石英梁7的谐振频率的变化可以实现测量待测气体表压或差压的目的。石英梁7的两根单梁14-1、14-2四周均覆盖有电极，在激励电路控制下，利用石英的逆压电效应驱动石英梁7自激振荡，当振动频率等于石英梁7的固有频率时发生谐振，在闭环正反馈控制系统下对谐振频率进行检测，谐振频率的变化量表征待测气体压力的大小，从而实现外界待测气体压力的测量。
权利要求
1.一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，包括石英梁(7)，其特征在于:石英梁(7 )通过低应力粘接胶(8 )粘接在硅基底(I)的正面上，石英梁(7 )的四个对角分别与硅基底(I)正面上的四个对准标记(12-1 )、( 12-2)、( 12-3)、( 12-4)对准，硅基底(I)的背面与玻璃基底(9)封接在一起，玻璃基底(9)的正面腐蚀了凹槽(11)，凹槽(11)的中心加工了一压力孔(10)，压力孔(10)与大气相通，或者与另一被测气源相通形成差压式传感器； 所述的硅基底(I)正面经过ICP刻蚀形成U型凹槽(2-1)和矩形凹槽(2-2)，正面未被刻蚀区域形成了矩形粘接凸台(4)和两根硅梁，两根硅梁为第一硅梁(6-1)、第二硅梁(6-2)，矩形粘接凸台(4)和硅基底(I)的外围分别制作了第一对准标记(12-1)、第二对准标记(12-2)和第三对准标记(12-3)、第四对准标记(12-4)，硅基底(I)的背面腐蚀凹腔形成一个硅岛(5 )，经正面和背面腐蚀后，硅基底(I)上的U型凹槽(2-1)和矩形凹槽(2-2 )所对应的区域即构成压力敏感膜(3)。
2.根据权利要求1所述的一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，其特征在于:所述的石英梁(7)由两端的第一基座(13-1)、第二基座(13-2)和中间腐蚀了矩形凹槽的两根单梁(14-1), (14-2)构成，第一基座(13-1)上表面覆盖有两压焊块，分别为第一压焊块(15-1)和第二压焊块(15-2 )，第一单梁(14-1)和第二单梁(14-2 )的四周均覆盖有电极，并且电极分别与第一压焊块(15-1)和第二压焊块(15-2)连通，第一基座(13-1)、第二基座(13-2)、第一单梁(14-1)和第二单梁(14-2)的材料均为石英晶体，第一压焊块(15-1)、第二压焊块(15-2)以及两根单梁四周覆盖的电极材料为均为金或银，石英梁(7)的厚度为8(Γ200μπι。
3.根据权利要求1所述的一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，其特征在于:所述的U型凹槽(2-1)和矩形凹槽(2-2)的刻蚀深度为6(Γ 00μπι，且刻蚀深度一致。
4.根据权利要求1所述的一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，其特征在于:所述的压力敏感膜(3)的厚度为3(Γ60μπι。
5.根据权利要求1所述的一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，其特征在于:所述的第一娃梁(6-1)、第二娃梁(6-2)宽度为100 300 μ m,且宽度一致。
6.根据权利要求1所述的一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，其特征在于:所述的凹槽(11)刻蚀深度为3(Γ50μπι。
7.根据权利要求1所述的一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，其特征在于:所述的四个对准标记(12-1)、(12-2)、(12-3)、(12-4)围成的矩形区域与石英梁(7)的四个对角所围成的区域大小一致。
全文摘要
一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片，包括石英梁，石英梁通过低应力粘接胶粘接在硅基底的正面上，石英梁的四个对角分别与硅基底正面上的四个对准标记对准，硅基底的背面与玻璃基底封接在一起，玻璃基底的正面腐蚀了凹槽，凹槽的中心加工了一压力孔，压力孔与大气相通形成表压式传感器，或者与另一被测气源相通形成差压式传感器，硅基底的背面腐蚀凹腔形成一个硅岛，利用石英的逆压电效应驱动石英梁自激振荡，当振动频率等于石英梁的固有频率时发生谐振，在闭环正反馈控制系统下对谐振频率进行检测，谐振频率的变化量表征待测气体压力的大小，从而实现外界待测气体压力的测量，本发明具有高灵敏度、高精度、高分辨率的优点。
文档编号G01L9/08GK103115720SQ20131001627
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月16日 优先权日2013年1月16日
发明者赵玉龙, 程荣俊 申请人:西安交通大学