高精度硅微谐振式气压传感器

创意无极限，仪表大发明。今天为大家介绍一项国家发明授权专利——一种基于SOI工艺的高精度硅微谐振式气压。该专利由中国科学院电子学研究所申请，并于2017年3月8日获得授权公告。
　　
　　内容说明
　　
　　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工艺的高精度硅微谐振式气压传感器。
　　
　　发明背景
　　
　　微电子机械系统( Micro-Electro-Mechanical Systems，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。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　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 A1 )，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。
　　
　　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。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
　　
　　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( 1 )，所述传感器芯片( 1 )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。
　　

　　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1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。
　　
　　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。
　　
　　本发明与现有技术相比，有显着优点：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；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；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；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；传感器加工工艺简单，成品率高，适于批量生产。
　　
　

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