專利名稱：一種硅基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石英諧振式壓力傳感器，特別涉及一種硅基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器。
背景技術(shù)：
市場上壓力傳感器主要有電容式、壓阻式及諧振式，電容式和壓阻式輸出的是模擬量，必須應(yīng)用高精度調(diào)理電路對微弱信號進行處理，這些因素必然導致測量精度下降；而諧振式壓力傳感器是利用壓力變化來改變物體的諧振頻率，從而通過測量頻率變化來間接測量壓力，其輸出為準數(shù)字頻率信號，具有測量精度高，靈敏度高、分辨率高、抗干擾能力強，并且適用于長距離傳輸而不會降低其精度等優(yōu)點，比較適合對壓力進行高精度檢測。石英諧振式壓力傳感器具有品質(zhì)因數(shù)高、重復(fù)性好、沒有遲滯、時間穩(wěn)定性好、耐化學腐蝕等優(yōu)點，成為諧振式傳感器中常見的一種類型，但目前國內(nèi)外市場上主要是采用傳統(tǒng)機械加工的石英諧振式壓力傳感器，體積大并且很難實現(xiàn)對微壓的高精度測量，尤其在生物醫(yī)學、航天等對傳感器體積、重量有嚴格要求的領(lǐng)域，傳統(tǒng)機械加工的石英諧振式壓力傳感器表現(xiàn)出明顯的不足。利用MEMS技術(shù)制造的微壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高等優(yōu)點成為世界范圍內(nèi)具有戰(zhàn)略性的研究領(lǐng)域。而目前國內(nèi)外對MEMS諧振式壓力傳感器的研究主要是硅微諧振式壓力傳感器，傳感器的彈性元件和敏感元件均采用硅材料，利用硅工藝加工，不足在于很難加工出復(fù)雜的高品質(zhì)因數(shù)的諧振器結(jié)構(gòu)，并且對諧振器的激勵和檢測都比較困難。結(jié)合石英諧振式壓力傳感器和MEMS壓力傳感器的優(yōu)點，本發(fā)明采用高精度石英梁作為諧振器，MEMS加工的硅基底作為壓力轉(zhuǎn)換元件，利用石英晶體的壓電特性很容易實現(xiàn)對石英梁諧振器進行壓電激勵和壓電檢測，可廣泛應(yīng)用于風洞測試，航空航天等領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提出一種硅基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器，采用各向異性腐蝕和干法刻蝕技術(shù)制作硅基底和石英梁，具有高靈敏度、高精度、高分辨率的優(yōu)點。為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:—種娃基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器,包括殼體I,殼體I的空腔與殼體I上底部的壓力孔9連通，壓力孔9與大氣相通，殼體I空腔內(nèi)配置有傳感器芯片和兩個電極引腳10，傳感器芯片由上至下依次是石英梁5、硅基底7和玻璃基底8，玻璃基底8與殼體I的空腔底部用環(huán)氧樹脂膠粘接，并且玻璃基底8的進氣孔8-3與壓力孔9對正，硅基底7與玻璃基底8通過膠粘接或靜電鍵合封接在一起，石英梁5兩端基座粘接在硅基底7對應(yīng)的凸臺上，石英梁5基座上的壓焊塊5-5、5-6和兩電極引腳10通過超聲熱壓焊用金絲6連接在一起，壓環(huán)3和殼體I上部通過螺紋連接固定在一起，連接處設(shè)有彈性密封圈2，壓環(huán)3上的螺紋孔4與殼體I的空腔相連通；所述的硅基底7正面經(jīng)過ICP刻蝕形成“工”字型凹槽7-3和兩個相同的第一矩形凹槽7-4、第二矩形凹槽7-5，正面未被刻蝕區(qū)域形成了兩個矩形粘接凸臺7-1和7-2，第一矩形粘接凸臺7-1上制作了第一對準標記7-6和第二對準標記7-7，第二矩形粘接凸臺7-2上制作了第三對準標記7-8和第四對準標記7-9，硅基底7的背面腐蝕凹腔形成第一硅島7-10和第二硅島7-11，經(jīng)正面和背面腐蝕后，硅基底7上的“工”字型凹槽7-3所對應(yīng)的區(qū)域即構(gòu)成壓力敏感膜7-12。所述的石英梁5由兩端的基座5-1、5-2和中間腐蝕了矩形凹槽的兩根單梁5-3、5-4構(gòu)成，第一基座5-1上表面覆蓋有第一壓焊塊5-5，第二基座5-2上表面覆蓋有第二壓焊塊5-6，第一單梁5-3和第二單梁5-4的四周均覆蓋有電極，并且電極分別與第一壓焊塊5-5和第二壓焊塊5-6連通， 第一基座5-1、第二基座5-2、第一單梁5_3和第二單梁5_4的材料均為石英晶體，第一壓焊塊5-5、第二壓焊塊5-6以及電極的材料為均為金或銀，石英梁5的厚度為80 200 μ m。所述的“工”字型凹槽7-3和兩個矩形凹槽7-4、7-5的刻蝕深度為6(Γ 00 μ m，且
刻蝕深度相同。所述的壓力敏感膜7-12的厚度為3(Γ60 μ m。所述的四個對準標記7-6、7-7、7-8和7-9尺寸相同，寬度為15 40μπι。所述的玻璃基底8中心加工了一進氣孔8-3，直徑為Φ0.5πιπΓΦ1πιπι，正面刻蝕了兩個方形凹槽8-1、8-2，分別與硅基底7上的兩個硅島7-10、7-11對正，兩個凹槽尺寸相同，刻蝕深度為30 50 μ m。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點在于:采用石英梁5作為諧振器，具有品質(zhì)因數(shù)高、重復(fù)性好、穩(wěn)定性好、沒有遲滯，容易實現(xiàn)壓電激勵與檢測等優(yōu)點，利用石英的這些特性，設(shè)計的石英梁諧振式壓力傳感器可以實現(xiàn)高精度、高分辨率測量，更為關(guān)鍵的是，利用石英的正逆壓電效應(yīng)，很容易激勵石英梁至諧振狀態(tài)，并通過檢測電路檢測其諧振頻率；而采用MEMS工藝制作硅基底具有尺寸精度好、可靠性高、成本低等硅微傳感器所具有的優(yōu)良特性，硅基底正面設(shè)計了兩個粘接凸臺，背面設(shè)計兩個硅島均可以提高傳感器線性度，相比于單端粘接在壓力敏感膜上，石英梁雙端粘接在壓力敏感膜上靈敏度更高，另外兩硅島還起過載保護作用，結(jié)合石英梁和硅基底二者的優(yōu)點，本發(fā)明設(shè)計制作的硅基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器具有精度高、分辨率高、線性度好、抗過載等特點。


圖1為本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為芯片結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2-a為芯片剖面視圖，圖2_b為芯片俯視圖。圖3為壓環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖3-a為壓環(huán)剖面圖，圖3_b為壓環(huán)俯視圖。圖4為石英梁5的結(jié)構(gòu)示意圖以及諧振時梁的振型。圖5為硅基底7的正面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為硅基底7的背面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為玻璃基底8的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為芯片過載保護示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。參照圖1, 一種娃基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器，包括殼體I，殼體I的空腔與殼體I上底部的壓力孔9相通，殼體I空腔內(nèi)配置有傳感器芯片和兩個電極引腳10，石英梁5基座上的第一壓焊塊5-5、第二壓焊塊5-6分別與兩電極引腳10通過超聲熱壓焊用金絲6連接在一起，壓環(huán)3和殼體I上部通過螺紋連接固定在一起，連接處設(shè)有彈性密封圈2，彈性密封圈2防止氣體從螺紋連接處泄露，壓環(huán)3上的螺紋孔4與殼體I的空腔相連通，待測氣體經(jīng)連接管道從螺紋孔4進入殼體I的空腔內(nèi)，壓力P作用在石英梁5和硅基底7上，壓力孔9與大氣相通，大氣壓力Ptl進入硅基底背面腐蝕的凹腔中作為參考壓力，壓力敏感膜7-12正反面分別在待測氣體壓力P和 大氣壓力Ptl作用下變形，該變形導致石英梁中產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。參照圖2，所述的傳感器芯片從上至下依次是石英梁5、硅基底7和玻璃基底8，石英梁5兩端的基座5-1、5-2分別用低應(yīng)力膠粘接在硅基底7對應(yīng)的凸臺7-1、7-2上，基座5-1、5-2的側(cè)面分別與對準標記7-6、7-7、7-8、7-9對準，粘接時水平方向反復(fù)移動石英梁5以排出粘接劑中的氣泡，減小石英梁諧振時能量損失；硅基底7與玻璃基底8通過低應(yīng)力膠粘接或靜電鍵合封接在一起，玻璃基底8與殼體I之間用環(huán)氧樹脂膠粘接，進氣孔8-3與壓力孔9對準。參照圖3，所述的壓環(huán)3包括擰緊凸臺和圓形連接盤兩部分，圓形連接盤外周加工了螺紋，壓環(huán)3中間加工了一螺紋孔4，螺紋孔4直徑為r8mm。參照圖4，所述的石英梁5由兩端的基座5-1、5-2和中間腐蝕了矩形凹槽的兩根單梁5-3、5-4構(gòu)成，第一基座5-1上表面覆蓋有第一壓焊塊5-5，第二基座5_2上表面覆蓋有第二壓焊塊5-6，第一單梁5-3和第二單梁5-4的四周均覆蓋有電極，并且電極分別與第一壓焊塊5-5和第二壓焊塊5-6連通，第一基座5-1、第二基座5-2、第一單梁5_3和第二單梁5-4的材料均為石英晶體，第一壓焊塊5-5、第二壓焊塊5-6以及電極的材料為均為金或銀，石英梁5的厚度為8(Γ200 μ m。石英梁5上的電極通過兩電極引腳10與激勵檢測電路連通后，利用石英晶體的逆壓電效應(yīng)，石英梁閉環(huán)自激振蕩直至諧振狀態(tài)，諧振時的振動模態(tài)沿石英梁5的寬度方向，由檢測電路檢測石英梁的諧振頻率。參照圖5和圖6，所述的硅基底7正面經(jīng)過ICP刻蝕形成“工”字型凹槽7_3和兩個相同的矩形凹槽7-4、7-5，三個凹槽刻蝕深度相同，且均為6(Γ100 μ m,正面未被刻蝕區(qū)域形成了兩個矩形粘接凸臺7-1和7-2，第一矩形粘接凸臺7-1上制作了第一對準標記7-6、第二對準標記7-7，第二矩形粘接凸臺7-2上制作了第三對準標記7-8、第四對準標記7-9，四個對準標記尺寸相同，寬度為15 40 μ m ;硅基底7的背面腐蝕凹腔形成第一硅島7-10和第二硅島7-11，經(jīng)正面和背面腐蝕后，硅基底7上的“工”字型凹槽7-3所對應(yīng)的區(qū)域即構(gòu)成壓力敏感膜7-12，厚度為3(Γ60 μ m。參照圖7，所述的玻璃基底8中心加工了一進氣孔8-3，直徑為Φ 0.5mnT Φ 1mm，正面刻蝕了兩個方形凹槽8-1、8-2，分別與硅基底7上的兩個硅島7-10、7-11所在區(qū)域?qū)φ瑑蓚€凹槽尺寸相同，刻蝕深度為3(Γ50 μ m。
參照圖8，當外界壓力過大時，兩個硅島7-10、7_11分別與兩個方形凹槽8_1、8_2底部接觸，起到過載保護的作用，防止石英梁5或壓力敏感膜7-12由于應(yīng)力過大而破壞。本發(fā)明的原理是:外界待測氣體經(jīng)螺紋孔4進入傳感器殼體I的空腔內(nèi)，該壓力P作用在芯片的壓力敏感膜3的正面上,殼體I上的壓力孔9與大氣相通,壓力敏感膜3的背面感受大氣壓力作為參考壓力PO，在正反面壓力差的作用下，壓力敏感膜3產(chǎn)生變形，該變形導致石英梁5彎曲變形，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，由于石英梁5的固有頻率對內(nèi)部應(yīng)力變化極為敏感，忽略溫度的影響，在一定范圍內(nèi)，固有頻率與內(nèi)部應(yīng)力幾乎成線性關(guān)系，在小撓度變形情況下，石英梁5的兩根單梁中的應(yīng)力與壓力敏感膜3正反面的壓力差Λ P成正比，石英梁5的諧振頻率與待測氣體表壓具有較好的線性關(guān)系，因而通過檢測石英梁5的諧振頻率的變化可以實現(xiàn)測量待測氣體表壓的目的。石英梁5的兩根單梁四周均覆蓋有電極，在激勵電路控制下，利用石英的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動石英梁5自激振蕩，當振動頻率等于石英梁5的固有頻率時發(fā)生諧振，在閉環(huán)控制系統(tǒng)下對諧振頻率進行檢測，諧振頻率的變化量表征待測氣體壓力的大小，從而實現(xiàn)外界氣體壓力的測量。
權(quán)利要求
1.一種娃基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器，包括殼體(1)，其特征在于:殼體(I)的空腔與殼體(I)上底部的壓力孔(9)連通，壓力孔(9)與大氣相通，殼體(I)空腔內(nèi)配置有傳感器芯片和兩個電極引腳(10)，傳感器芯片由上至下依次是石英梁(5)、硅基底(7)和玻璃基底(8 )，玻璃基底(8 )與殼體(I)的空腔底部用環(huán)氧樹脂膠粘接，并且玻璃基底(8 )的進氣孔(8-3)與壓力孔(9)對正，硅基底(7)與玻璃基底(8)通過粘接或靜電鍵合封接在一起，石英梁(5)兩端基座粘接在硅基底(7)對應(yīng)的凸臺上，石英梁(5)基座上的壓焊塊(5-5)、(5-6)和兩電極引腳(10)通過超聲熱壓焊用金絲(6)連接在一起，壓環(huán)(3)和殼體(I)上部通過螺紋連接固定在一起，連接處設(shè)有彈性密封圈(2)，壓環(huán)(3)上的螺紋孔(4)與殼體(I)的空腔相連通； 所述的硅基底(7)正面經(jīng)過ICP刻蝕形成“工”字型凹槽(7-3)和兩個相同的第一矩形凹槽(7-4)、第二矩形凹槽(7-5)，正面未被刻蝕區(qū)域形成了兩個矩形粘接凸臺(7-1)和(7-2)，第一矩形粘接凸臺(7-1)上制作了第一對準標記(7-6)和第二對準標記(7-7)，第二矩形粘接凸臺(7-2 )上制作了第三對準標記(7-8 )和第四對準標記(7-9 )，硅基底(7 )的背面腐蝕凹腔形成第一硅島(7-10)和第二硅島(7-11)，經(jīng)正面和背面腐蝕后，硅基底(7)上的“工”字型凹槽(7-3)所對應(yīng)的區(qū)域即構(gòu)成壓力敏感膜(7-12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器，其特征在于:所述的石英梁(5)由兩端的基座(5-1)、(5-2)和中間腐蝕了矩形凹槽的兩根單梁(5-3),( 5-4)構(gòu)成，第一基座(5-1)上表面覆蓋有第一壓焊塊(5-5 )，第二基座(5-2 )上表面覆蓋有第二壓焊塊(5-6)， 第一單梁(5-3)和第二單梁(5-4)的四周均覆蓋有電極，并且電極分別與第一壓焊塊(5-5)和第二壓焊塊(5-6)連通，第一基座(5-1)、第二基座(5-2)、第一單梁(5-3)和第二單梁(5-4)的材料均為石英晶體，第一壓焊塊(5-5)、第二壓焊塊(5-6)以及電極的材料為均為金或銀，石英梁(5)的厚度為8(Γ200μηι。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器，其特征在于:所述的“工”字型凹槽(7-3)和兩個矩形凹槽(7-4)、(7-5)的刻蝕深度為6(Γ 00μπι，且刻蝕深度相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器，其特征在于:所述的壓力敏感膜(7-12)的厚度為3(Γ60μπι。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器，其特征在于:所述的四個對準標記(7-6)、(7-7)、(7-8)和(7-9)尺寸相同，寬度為15 40 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器，其特征在于:所述的玻璃基底(8)中心加工了一進氣孔(8-3)，直徑為Φ0.5πιπΓΦ1πιπι，正面刻蝕了兩個方形凹槽(8-1)、(8-2)，分別與硅基底(7)上的兩個硅島(7-10)、(7-11)對正，兩個凹槽尺寸相同，刻蝕深度為30 50 μ m。
全文摘要
一種硅基雙島結(jié)構(gòu)石英梁諧振式微壓力傳感器，包括殼體，殼體的空腔通過壓力孔與大氣相通，殼體空腔內(nèi)配置有傳感器芯片，傳感器芯片包括石英梁、硅基底和玻璃基底，玻璃基底的進氣孔與殼體底部的壓力孔正對，硅基底與玻璃基底封接，石英梁基座粘接在硅基底的凸臺上，石英梁基座上的壓焊塊和兩電極引腳連接，壓環(huán)和殼體上部螺紋連接，壓環(huán)上的螺紋孔與殼體的空腔相連通，硅基底的背面腐蝕凹腔形成兩個硅島，利用石英的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動石英梁自激振蕩，當振動頻率等于石英梁的固有頻率時發(fā)生諧振，在閉環(huán)控制系統(tǒng)下對諧振頻率進行檢測，諧振頻率的變化量表征待測氣體壓力的大小，從而實現(xiàn)外界氣體壓力的測量，具有高靈敏度、高精度、高分辨率的優(yōu)點。
文檔編號G01L1/10GK103105248SQ20131001622
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者趙玉龍, 程榮俊 申請人:西安交通大學