一種基于soi工藝的高精度硅微諧振式氣壓傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于SOI工藝的電磁激勵(lì)電磁檢測(cè)的高精度硅微諧振式氣壓傳感器。其核心部件是傳感器芯片，由包含SOI工藝制作的單晶硅H型諧振器及單晶硅壓力敏感膜的SOI硅片和帶有引線通孔的硼硅玻璃蓋片通過(guò)真空陽(yáng)極鍵合形成。單晶硅H型諧振器工作于參考真空中，不受待測(cè)氣壓介質(zhì)的影響，品質(zhì)因數(shù)較高，頻率輸出穩(wěn)定。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)真空封裝的同時(shí)，解決了圓片級(jí)封裝引線困難的問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于SOI工藝的高精度硅微諧振式氣壓傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)中的MEMS氣壓傳感器技術(shù)，具體涉及一種基于SOI工藝的高精度娃微諧振式氣壓傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems,簡(jiǎn)稱(chēng) MEMS)是一種在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，利用從半導(dǎo)體技術(shù)中發(fā)展而來(lái)的成熟技術(shù)，MEMS器件可進(jìn)行大批量、低成本生產(chǎn)。另外，MEMS器件普遍具有體積小，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)制造等多個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。
[0003]諧振式氣壓傳感器的輸出檢測(cè)信號(hào)由諧振器的振動(dòng)頻率信號(hào)直接轉(zhuǎn)換而成，相對(duì)于電容式、電阻式和壓電式等輸出的幅度信號(hào)(主要是電壓幅值)，頻率信號(hào)具有更高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
[0004]現(xiàn)有硅微諧振式氣壓傳感器的敏感結(jié)構(gòu)一般被設(shè)計(jì)為由諧振器和氣壓敏感膜組成，被測(cè)氣壓經(jīng)氣壓敏感膜轉(zhuǎn)換為膜片的應(yīng)變，膜片的應(yīng)變使諧振梁受到軸向應(yīng)力作用，從而改變其剛度特性，進(jìn)而使得諧振梁的頻率發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)量諧振梁的頻率來(lái)獲得氣壓的大小。
[0005]為實(shí)現(xiàn)氣壓測(cè)量，通常要在氣壓敏感膜一側(cè)形成真空參考腔。為提高性能，諧振器也需要被放置在真空環(huán)境下。日本橫河電機(jī)公司采用片上真空密封的方法(參考專(zhuān)利申請(qǐng)“Vibration type pressure sensor”,專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?US2006/0010981 Al),實(shí)現(xiàn)諧振器的真空密封。申請(qǐng)?zhí)枮镃N201010247579.3的專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)岬搅私饘俟軞ふ婵辗庋b的方法，通過(guò)單次真空封裝同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧振器的真空密封和真空參考腔的建立，但是這種單芯片封裝的方法，生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品成本偏高。專(zhuān)利申請(qǐng)CN201010218423.2提到了采用中間層鍵合技術(shù)的圓片級(jí)封裝，經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體工藝制作好的基片與下蓋基片通過(guò)樹(shù)脂材料來(lái)進(jìn)行黏合鍵合，形成真空參考腔，實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)封裝。
[0006]然而CN201010218423.2所提到的方法將沒(méi)有將四個(gè)諧振器放置于真空參考腔內(nèi)，使得諧振器暴露在大氣中，大大降低了諧振器的品質(zhì)因數(shù)。
[0007]另外，中間層鍵合技術(shù)采用的有機(jī)材料會(huì)引入較大應(yīng)力，影響氣壓傳感器的輸出穩(wěn)定性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于SOI工藝的高精度硅微諧振式氣壓傳感器，其包括:傳感器芯片(I)，所述傳感器芯片(I)包括SOI硅片(9)和硼硅玻璃蓋片(10)，所述SOI硅片(9)上具有兩個(gè)H型諧振器(11)、支撐錨點(diǎn)(12)和氣壓敏感膜(13);所述H型諧振器(11)通過(guò)所述支撐錨點(diǎn)(12)固支于所述氣壓敏感膜(13)上；所述硼硅玻璃蓋片(10)與所述SOI硅片(9)通過(guò)陽(yáng)極鍵合地方式緊密地結(jié)合成一體，圍成真空參考腔(16)，使得所述兩個(gè)H型諧振器(11)被密封在所述真空參考腔中。[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有顯著優(yōu)點(diǎn):(1)利用陽(yáng)極鍵合的方法實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)真空封裝，在減小應(yīng)力、提高傳感器輸出穩(wěn)定性的同時(shí)能夠提高生產(chǎn)效率、降低成本降低了芯片封裝成本；(2)封裝在真空密封腔的諧振器品質(zhì)因數(shù)較高，輸出更加穩(wěn)定，氣壓傳感器能夠獲得更高的分辨率；(3)傳感器芯片可直接采用金絲球焊的方法引出導(dǎo)線，解決了圓片級(jí)封裝引線困難的問(wèn)題；(4)采用電磁激勵(lì)和電磁檢測(cè)的方法，有效地補(bǔ)償諧振器的能量消耗，提高了傳感器品質(zhì)因數(shù)；(5)傳感器加工工藝簡(jiǎn)單，成品率高，適于批量生產(chǎn)。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本發(fā)明提出的傳感器芯片的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0011]圖2是本發(fā)明提出的傳感器芯片的解剖圖；
[0012]圖3是本發(fā)明提出的傳感器芯片上H型諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0014]如圖1和2所示，本發(fā)明提出了一種基于SOI工藝的電磁激勵(lì)電磁檢測(cè)的高精度硅微諧振式氣壓傳感器，該傳感器包括傳感器芯片1、應(yīng)力隔離層2、金屬管座3、管帽4和磁鐵5。其中，傳感器芯片I通過(guò)應(yīng)力隔離層2固定在金屬管座3上；金屬管座3置有八個(gè)管針6，通過(guò)金絲球焊的引線7與傳感器芯片I上引線孔8中的金屬電極相連，起到電信號(hào)引出的作用；磁鐵5固定在帶有導(dǎo)氣孔的管帽4上，管帽4蓋在金屬管座3上，其下端與金屬管座3周緣密封固接。
[0015]其中，為了進(jìn)一步減小熱應(yīng)力對(duì)器件的影響，應(yīng)力隔離層2只固定傳感器芯片I的一角。傳感器芯片1、應(yīng)力隔離層2和金屬管座3三者可以通過(guò)環(huán)氧膠粘接在一起，起到固定和支撐芯片的作用。為保護(hù)芯片以及金絲球壓焊的引線，帶有磁鐵的管帽4蓋在金屬管座上，其下端通過(guò)環(huán)氧膠與金屬管座周緣固接。
[0016]傳感器芯片I由SOI硅片9和硼硅玻璃蓋片10組成。SOI硅片9上有兩個(gè)H型諧振器11、八個(gè)支撐錨點(diǎn)12、氣壓敏感膜13、八個(gè)引線端14和真空密封框15 ;硼硅玻璃蓋片10上制作了引線孔8和真空密封腔16，通過(guò)陽(yáng)極鍵合的方法與SOI硅片9緊密地結(jié)合在一起，形成真空參考腔16，使得所述兩個(gè)H型諧振器11被密封在所述真空參考腔16內(nèi)。
[0017]通過(guò)光刻、深刻蝕等半導(dǎo)體工藝，在SOI硅片9上重?fù)诫s的低阻單晶硅器件層上制作所述兩個(gè)H型諧振器11、八個(gè)支撐錨點(diǎn)12、八個(gè)引線端14和真空密封框15，而所述氣壓敏感膜13由SOI硅片9的基底層通過(guò)深刻蝕制作而成。其中兩個(gè)H型諧振器11懸空，兩個(gè)H型諧振器11中每一個(gè)的四個(gè)端點(diǎn)各自通過(guò)所述八個(gè)支撐錨點(diǎn)12固支于氣壓敏感膜13上。所述H型諧振器11的單根梁與支撐其的相應(yīng)兩個(gè)支撐錨點(diǎn)12和兩個(gè)引線端14構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電流(或檢測(cè)電流)的通路。其中每個(gè)引線端14通過(guò)溝槽與周?chē)綦x開(kāi)，防止發(fā)生短接。通過(guò)化學(xué)腐蝕或者精密機(jī)械加工或者激光加工等方法，在硼硅玻璃蓋片10上制作引線孔8和真空參考腔16。最后通過(guò)陽(yáng)極鍵合的方法將硼硅玻璃蓋片10與SOI硅片9緊密地結(jié)合在一起，圍成真空參考腔。
[0018]如圖3所示，所述H型諧振器11由兩根長(zhǎng)度、寬度和厚度完全一致的雙端固支矩形梁構(gòu)成，兩根梁的中心部位用一個(gè)厚度與梁一樣的矩形塊連接，這樣能確保兩根梁在低階頻率時(shí)能夠同時(shí)同相同頻振動(dòng)。
[0019]所述H型諧振器11采用電磁激勵(lì)檢測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)傳感器的信號(hào)檢測(cè)和輸出，當(dāng)H型諧振器11的單根梁通過(guò)交變電流時(shí)，由于磁鐵提供了垂直于紙面方向的磁場(chǎng)，所述H型諧振器11受到平行于紙面的安培力。當(dāng)通過(guò)的交變電流頻率與諧振器的固有頻率一致時(shí)，諧振器振動(dòng)幅度最大，另一根單梁由于切割磁感線產(chǎn)生了交變電動(dòng)勢(shì)，因此會(huì)對(duì)外輸出電信號(hào)，而此電信號(hào)頻率與所述H型諧振器11固有頻率相同。
[0020]由于氣壓敏感膜13的一側(cè)為真空參考腔16，當(dāng)有Z軸方向氣體壓力作用在氣壓敏感膜13的另一側(cè)，氣壓敏感膜13將會(huì)發(fā)生形變。使得放置在氣壓敏感膜13邊緣的H型諧振器11 (如圖1所示的左邊的H型諧振器)受到壓應(yīng)力，而另一個(gè)諧振器11受到拉應(yīng)力。兩個(gè)H型諧振器所受到的彎曲應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致其固有頻率的變化，因此諧振器固有頻率的大小能表征氣壓的大小。而由于H型諧振器11采用電磁激勵(lì)電磁檢測(cè)的方式，通過(guò)外部檢測(cè)電路的驅(qū)動(dòng)，可以將其固有頻率轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，因此進(jìn)一步就可以通過(guò)所輸出的電信號(hào)頻率的變化檢測(cè)出氣壓的變化。
[0021]由于兩個(gè)諧振器所受應(yīng)力方向相反，且兩個(gè)H型諧振器11的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，按照應(yīng)力分布雙端固支于氣壓敏感膜的合適位置，在氣壓作用下兩個(gè)H型諧振器11的固有頻率變化方向相反，能夠?qū)崿F(xiàn)差分檢測(cè)，使得器件靈敏度大幅提高。
[0022]綜上所述，本發(fā)明的方案由于采用了兩個(gè)諧振器的設(shè)計(jì)，有利于調(diào)整諧振器的長(zhǎng)度和固支點(diǎn)的位置等參數(shù)；且本發(fā)明直接采用低阻硅進(jìn)行導(dǎo)電，通過(guò)深刻蝕得到的溝槽和SOI硅片中的絕緣層來(lái)使不同的電流通路絕緣；本發(fā)明通過(guò)將諧振器封裝在真空中，提高了傳感器的品質(zhì)因數(shù)；本發(fā)明還采用硅-玻璃陽(yáng)極鍵合來(lái)完成真空封裝，有效地提高了生產(chǎn)效率并降低了熱應(yīng)力。
[0023]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于SOI工藝的高精度娃微諧振式氣壓傳感器,其包括傳感器芯片(I),所述傳感器芯片⑴包括SOI硅片(9)和硼硅玻璃蓋片(10)，所述SOI硅片(9)上具有兩個(gè)H型諧振器(11)、支撐錨點(diǎn)(12)和氣壓敏感膜(13);所述H型諧振器(11)通過(guò)所述支撐錨點(diǎn)(12)固支于所述氣壓敏感膜(13)上；所述硼硅玻璃蓋片(10)與所述SOI硅片(9)通過(guò)陽(yáng)極鍵合地方式緊密地結(jié)合成一體，圍成真空參考腔(16)，使得所述兩個(gè)H型諧振器(11)被密封在所述真空參考腔中。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣壓傳感器，其特征在于:所述兩個(gè)H型諧振器(11)和支撐錨點(diǎn)(12)由所述SOI硅片(9)上重?fù)诫s的低阻單晶硅器件層制作而成；所述的氣壓敏感膜(13)由所述SOI硅片的基底層制作；所述兩個(gè)H型諧振器(11)懸空，其中每一個(gè)H型諧振器(11)的兩根平行梁的四個(gè)端點(diǎn)各自通過(guò)支撐錨點(diǎn)(12)固支于氣壓敏感膜(13)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣壓傳感器，其特征在于:所述H型諧振器(11)由兩根長(zhǎng)度、寬度和厚度完全一致的平行雙端固支矩形梁構(gòu)成，兩根平行梁的中心部位用一個(gè)厚度與梁一樣的矩形塊連接，以確保兩根梁在低階頻率時(shí)能夠同時(shí)同相同頻振動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣壓傳感器，其特征在于:所述SOI硅片(9)上還具有引線端(14)，所述H型諧振器(11)的兩根平行梁中的一根與相應(yīng)的兩個(gè)支撐錨點(diǎn)(12)和兩個(gè)弓丨線端(14)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電流的通路，而所述H型諧振器(11)的兩根平行梁中的另一根則與相應(yīng)的另外兩個(gè)支撐錨點(diǎn)(12)和另外兩個(gè)引線端(14)構(gòu)成檢測(cè)電流的通路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣壓傳感器，其特征在于:采用電磁激勵(lì)檢測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)所述氣壓傳感器的信號(hào)檢測(cè)和輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣壓傳感器，其特征在于:所述氣壓傳感器還包括磁鐵(5)；且當(dāng)所述H型諧振器(11)的一根梁通過(guò)交變電流時(shí)，磁鐵(5)提供垂直于紙面方向的磁場(chǎng)，所述H型諧振器(11)受到平行于紙面的安培力；而當(dāng)通過(guò)的交變電流頻率與所述H型諧振器(11)的固有頻率一致時(shí)，所述H型諧振器(11)的振動(dòng)幅度最大，且另一根梁切割磁感線產(chǎn)生交變感生電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而輸出與所述H型諧振器(11)固有頻率相同的電信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的氣壓傳感器，其特征在于:氣壓敏感膜(13)的一側(cè)為真空參考腔(16)，當(dāng)有Z軸方向氣體壓力作用在氣壓敏感膜(13)的另一側(cè)時(shí)，氣壓敏感膜(13)發(fā)生形變，使得放置在氣壓敏感膜(13)邊緣的H型諧振器(11)受到軸向壓應(yīng)力，而另一個(gè)H型諧振器(11)受到軸向拉應(yīng)力，而所述另一個(gè)H型諧振器(11)所受到的軸向應(yīng)力導(dǎo)致其固有頻率發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致所輸出的電信號(hào)發(fā)生變化，以此檢測(cè)出氣壓的變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣壓傳感器，其特征在于:所述氣壓傳感器還包括應(yīng)力隔離層(2)，且所述應(yīng)力隔離層(2)用于固定傳感器芯片(1)的一角。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣壓傳感器，其特征在于，所述氣壓傳感器還包括金屬管座(3)和管帽(4)，所述傳感器芯片(1)通過(guò)所述應(yīng)力膈應(yīng)層(2)固定在所述金屬管座(3)上；所述蹦硅玻璃蓋片(10)上還具有多個(gè)引線孔(8)，所述金屬管座(3)上置有多個(gè)管針(6)，所述管針(6)通過(guò)金絲球焊的引線與所述引線孔⑶中的金屬電極相連，起到信號(hào)引出的作用；所述管帽(4)蓋在金屬管座(3)上，其下端與金屬管座(3)周緣密封固接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣壓傳感器，其特征在于，所述SOI硅片(9)上還包括真空密封框(15)，所述真空密封框(15)由所述SOI硅片⑶上重?fù)诫s的低阻單晶硅器件層制作而成，所述硼硅玻璃蓋片(10)與所述真空密封框(15)緊密結(jié)合而形成所述真空參考腔(16)。
【文檔編號(hào)】B81B3/00GK103900753SQ201210587264
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月28日
【發(fā)明者】陳德勇, 曹明威, 王軍波 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所