一种抑制同频干扰的硅谐振压力传感器结构的制作方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种硅微压力传感器，特别涉及一种抑制同频干扰的硅谐振压力传感器结构。
【背景技术】
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[0002]硅谐振压力传感器是精度和稳定性最好的压力传感器之一，其利用内部机械结构的谐振频率随外界压力变化而变化的原理进行压力测量，其输出为频率，为准数字量，适合长距离传输；抗干扰能力强。利用硅材料良好的机械性能，这种传感器的精度和年稳定性最高都可以达到0.01% FS。
[0003]由于传感器中的谐振器其振幅和体积比较小，在传感器工作时检测信号比较小；并且由于驱动电极和检测电极距离比较小导致驱动信号耦合到检测电极上，称为同频干扰，当同频干扰比较大时会导致检测信号无法被有效地检测。
[0004]文献“GREENWOODJ，WRAY T.High accuracy pressure measurement witha silicon resonant sensor [J].Sensors and Actuators A:Physical, 1993, 37-38:82-85.”中，英国Druck公司利用玻璃管抽真空将谐振器密封于真空环境，其品质因数大于40000，但该方法不利用传感器装配，体积较大，限制了其应用环境。
[0005]文献“KIkeda, H Kuwayama, T Kobayashi, T ffatanabe, TNishikawa, TYoshida, KHarada.Silicon pressure sensor integrates resonant strain gauge ondiaphragm.SENSORS ACTUATORS, 1990，Vol.21A，n0.1-3，pp.146-150” 中，日本横河电机株式会社的硅谐振压力传感器采用电磁激励和电磁检测方式，其利用表面外延生长及牺牲层技术得到了密封与真空腔中的谐振梁，该工艺过程需要复杂的工艺条件。
[0006]文献“SenRen, Weizheng Yuan, Dayong Qiao, Jinjun Deng, Xiaodong Sun.A micromachined pressure sensor with integrated resonator operating atatmospheric pressure [J].Sensors, 2013, 13 (12): 17006-17024.” 中提出了一种米用差分驱动和差分检测方式的谐振器结构，但由于两个检测梳齿检测到的同频干扰信号相位相反，导致无法通过差分检测方式消除同频干扰，且该谐振器密封在常压环境中，品质因数较低，驱动信号比较大，进一步增大了同频干扰。
[0007]文献“ThierryCorman, Kjell Noren, Peter Enoksson, el al.“Burst，，Technologywith Feedback-Loop Control for Capacitive Detect1n and ElectrostaticExcitat1n of Resonant Silicon Sensors[J], IEEE TRANSCT1NS ON ELECTRONDEVICES.2005, 47(11):2228-2235.”中提出一种分时驱动的方法来消除同频干扰，即在一段时间内驱动信号驱动谐振器振动但不进行检测，下一段时间内不加驱动信号并在检测端进行检测，这种方法可以使驱动和检测信号在时域内分离，并消除同频干扰，但需要额外的控制电路。
【发明内容】
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[0008]本发明的目的是为了有效抑制同频干扰，提高传感器性能，提供了一种抑制同频干扰的硅谐振压力传感器结构。所设计的结构密封在真空环境中，这样可以降低驱动信号以便降低同频干扰，同时谐振器结构采用所提出的差分驱动差分检测方式来进一步抑制同频干扰。
[0009]为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现:
[0010]一种抑制同频干扰的硅谐振压力传感器结构，包括自上而下依次设置的顶层硅、结构层硅、氧化层和底层硅；其中，
[0011]顶层硅上制作有盖帽；
[0012]结构层硅上制作有第一谐振器框架、第二谐振器框架、谐振器硅岛和电极；
[0013]氧化层上制作有第一连接端和第二连接端；
[0014]底层硅上制作有底座和压力敏感膜片；
[0015]盖帽与底层硅之间形成一个真空腔，由第一谐振器框架和第二谐振器框架构成的谐振器位于该真空腔内，并且谐振器通过谐振器硅岛和氧化层与压力敏感膜片相连；第一连接端用于连接谐振器硅岛和压力敏感膜片，第二连接端用于连接电极和底座。
[0016]本发明进一步的改进在于，顶层硅与结构层硅之间通过金金键合技术键合在一起，且键合面由金属材料构成；电极通过键合面和由顶层硅制作成的硅柱结构与焊盘相连。
[0017]本发明进一步的改进在于，谐振器至少通过两个谐振器硅岛和至少两个第一连接端与压力敏感膜片相连。
[0018]本发明进一步的改进在于，电极包括第一驱动电极、第二驱动电极、第一检测电极、第二检测电极以及谐振器电极，谐振器电极与谐振器连接。
[0019]本发明进一步的改进在于，第一谐振器框架和第二谐振器框架均包括两组驱动梳齿和一组检测梳齿，每组驱动梳齿包括第一梳齿对和第二梳齿对，每组检测梳齿包括第三梳齿对，每个梳齿对均由一个定齿和一个动齿构成，驱动梳齿的动齿与谐振器框架相连，定齿与第一驱动电极和第二驱动电极相连；检测梳齿的动齿与谐振器框架相连，定齿与第一检测电极和第二检测电极相连。
[0020]本发明进一步的改进在于，第一谐振器框架和第二谐振器框架内包括的第一检测梳齿和第二检测梳齿采用差分形式进行检测，即一组检测梳齿电容变大时另一组检测梳齿电容变小。
[0021]本发明进一步的改进在于，第一谐振器框架和第二谐振器框架的结构相同，第一谐振器框架和第二谐振器框架之间通过至少一个弹性结构相连。
[0022]本发明进一步的改进在于，弹性结构为第一耦合结构和第二耦合结构。
[0023]本发明进一步的改进在于，压力敏感膜片上设置有限制第一谐振器框架和第二谐振器框架位移的阻挡块。
[0024]本发明进一步的改进在于，传感器工作时，第一谐振器框架和第二谐振器框架的运动方向相反。
[0025]相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果:
[0026]1、该硅谐振压力传感器结构密封在真空环境中，可以大大降低驱动信号，因此同频干扰可以得到明显抑制，
[0027]2、该硅谐振压力传感器由两个运动方向相反的框架结构构成，两个驱动梳齿与两个检测梳齿均采用差动式结构，可以有效抑制同频干扰和其他共模噪声。
【附图说明】
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[0028]图1为本发明一种抑制同频干扰的硅谐振压力传感器结构的主视图。
[0029]图2为本发明一种抑制同频干扰的硅谐振压力传感器结构的俯视图。
[0030]图中:I为顶层硅，2为结构层硅，3为氧化层，4为底层硅，5为底座，6为谐振器硅岛，7为第一连接端，8为压力敏感膜片，9为第二连接端，10为电极，11为键合面，12为硅柱结构，13为焊盘，14为第一驱动电极，15为谐振器电极，16为第一耦