諧振式壓力傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及MEMS微傳感器技術領域，尤其涉及一種諧振式壓力傳感器。
【背景技術】
[0002]諧振式壓力傳感器由其精度高，穩定性好，以及半數字輸出、抗干擾性強等優勢，廣泛運用在氣象，宇航等領域。諧振式壓力傳感器由通常壓力敏感膜和諧振子構成。由于諧振子是可動部件，為了實現其低阻尼振動的工作環境，同時保護其免受外界灰塵，濕度，腐蝕等的破壞，諧振器往往需要被密封在真空環境之中。另外，對于壓力傳感器而言，真空是一個理想的壓力參考，不隨外界環境(比如溫度、濕度、流速等)的變化而變化。因此，諧振器的真空封裝是諧振壓力傳感器的一個必然要求。
[0003]用于圓片級真空封裝的技術主要包括:硅硅鍵合，硅玻璃陽極鍵合，金硅共晶鍵合，金屬中間層鍵合，以及玻璃焊料鍵合等。其中硅玻璃陽極鍵合對表面平整度要求不太高，無需中間層且強度高，因此廣泛用于壓力傳感器、加速度計、陀螺等的封裝過程。但該種方式在諧振式壓力傳感器的制作與封裝過程中仍存在一定的問題:一方面，陽極鍵合需要提供高電壓，容易造成可動部件的靜電吸合，導致器件失效；另一方面，采用玻璃進行真空封裝，往往需要在玻璃上加工引線通孔，用于與外部的電氣連接，然而玻璃的加工相對困難。雖然可以采用噴砂和超聲等方式制作通孔，但其加工尺寸受限，并與MEMS工藝不兼容，通用性差。另外，由于使用機械的加工方式，通孔邊緣容易產生微裂紋，影響密封的可靠性。
[0004]另一方面，在微機電系統(MEMS)領域，常用于加工諧振子的材料主要是石英和單晶硅。石英具有低的溫度系數，因而制作傳感器的精度相對較高，但其加工困難，制作的成本高。相對而言，硅的加工工藝相對成熟與完善，刻蝕可以采用干法和濕法兩種方式進行，刻蝕速率快，適用于多種形貌的圖形加工；特別的，SOI片尤其適合加工可動部件，便于制作諧振子。因此，采用硅片加工具有更高的靈活性，更低的制作成本。雖然硅的溫度系數相對較大，但通常可以對傳感器進行溫度補償，使其在較寬的溫度范圍內也有較高的精度。
[0005]溫度補償通常包括硬件補償和軟件補償。硬件補償是使用與傳感器溫度系數相近的硬件設施來進行補償。這種方式相對簡單，但補償精度差。軟件補償是利用數字電路對傳感器輸出進行修正。通過控制器采集溫度信息，并將溫度按照一定的規律來調整傳感器的輸出，進而使傳感器輸出在寬的溫度范圍內都能滿足其精度要求。溫度的獲取途徑包括外部溫度傳感器和集成溫度傳感器兩種方式。外部溫度傳感器測量的溫度與壓力傳感器本身的溫度存在偏差，而且偏差不固定，因此補償精度不高。集成溫度傳感器能改善上述問題，但需要引入溫度敏感部件，增大了傳感器加工的復雜度。

【發明內容】

[0006](一 )要解決的技術問題
[0007]鑒于上述技術問題，本發明提供了一種諧振式壓力傳感器，用于傳感器自補償，提高傳感器補償精度。
[0008]( 二)技術方案
[0009]本發明諧振式壓力傳感器包括:傳感器本體100，在該傳感器本體的底部形成壓力敏感膜160 ;在該壓力敏感膜160上形成有兩諧振器-第一諧振器140和第二諧振器150，其中，該兩諧振器具有相同的固有頻率，且兩者對作用于壓力敏感膜上的壓力P的靈敏度大小相等，第一諧振器140位于壓力敏感膜的中央位置，第二敏感膜150位于壓力敏感膜的邊緣位。
[0010](三)有益效果
[0011]從上述技術方案可以看出，本發明諧振式壓力傳感器具有以下有益效果:
[0012](I)采用雙諧振器的結構設計，利用雙諧振器的差頻輸出表征傳感器的壓力特性，降低了溫度的影響，改善傳感器的壓力靈敏度和線性度輸出；
[0013](2)利用雙諧振器的和頻輸出表征傳感器的溫度特性，提高傳感器溫度靈敏度，實現了壓力和溫度雙參數敏感，并且，利用該溫度參數實現壓力傳感器自補償，提高壓力和溫度的測量精度；
[0014](3)在SOI片背面制作引線孔，降低引線互連制作的復雜度，提高真空封裝的可靠性，同時，采用SOI過孔引線的方式，可通過金屬濺射使器件層形成等電位，避免諧振器吸合失效，提尚流片成品率；
[0015](4)采用陽極靜電鍵合技術和吸氣劑技術，實現了諧振器的圓片級真空封裝，真空度高，真空保持時間長，相比Druck公司靜電激勵的諧振式壓力傳感器單芯片的封裝，效率高；相比日本橫河公司的圓片級封裝，成品率大幅提升；
[0016](5)諧振式壓力傳感器中的雙諧振器在一次刻蝕工藝完成，不會增加工藝復雜度。
[0017]可見，本發明諧振式壓力傳感器中，兩個諧振器頻率之差可以表征壓力大小，兩個諧振器頻率之和可以表征溫度信息，實現傳感器的壓力與溫度的雙參數敏感輸出，并可用于傳感器雙參數自補償。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明實施例諧振式壓力傳感器的三維立體圖；
[0019]圖2為圖1所示諧振式壓力傳感器中兩諧振器的示意圖；
[0020]圖3A為圖2中第二諧振器的結構示意圖；
[0021]圖3B為圖3A所述第二諧振器中除驅動電極和檢測電極之外其他部分的結構示意圖；
[0022]圖4為圖1所示諧振式壓力傳感器背面的示意圖；
[0023]圖5為圖2所示諧振器的驅動檢測原理的示意圖。
[0024]【主要元件】
[0025]100-傳感器本體
[0026]110-基底層；120-絕緣層；130-器件層；
[0027]140-第一諧振器；150-第二諧振器；160-壓力敏感膜；
[0028]170-硅連接結構；
[0029]151-第一錨點； 152-第二錨點； 153-雙端固支懸空梁；
[0030]154-驅動電極； 155-檢測電極；
[0031]181、182、183、184、185、186-接線端子；
[0032]200-蓋板；
[0033]210-空腔；220-吸氣劑。
【具體實施方式】
[0034]為了解決傳感器溫度補償過程中溫度測量偏差的問題，本發明提出一種實現壓力與溫度的雙參數敏感的諧振壓力傳感器。
[0035]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0036]在本發明的一個示例性實施例中，提供了一種諧振式壓力傳感器。請參照圖1，本實施例諧振式壓力傳感器包括:傳感器本體100，在其底部形成壓力敏感膜160，在該壓力敏感膜160上形成有固有頻率相同的兩諧振器-第一諧振器140和第二諧振器150，其中，第一諧振器140位于壓力敏感膜的中央位置，第二敏感膜150位于壓力敏感膜的邊緣位置；蓋板200，通過陽極鍵合真空封裝方式密封蓋合于SOI片100的上部，其在與壓力敏感膜對應的位置形成空腔；數據處理單元(未圖示)，用于利用第一諧振器140的諧振頻率匕和第二諧振器150的諧振頻率f2的差頻信息計算得到壓力P的信息，還可以利用第一諧振器140的諧振頻率和第二諧振器150的諧振頻率丨2的和頻信息計算得到傳感器的溫度信息。
[0037]以下對本實施例諧振式壓力傳感器的各個組成部分進行詳細說明。
[0038]請參照圖1，傳感器本體100由SOI片經MEMS工藝制備而成。該SOI片自下而上包括:基底層110、絕緣層120和器件層130。其中，基底層110和器件層130具有極低電阻率，可形成良好的電氣連接，而絕緣層120用于隔開上下兩層，實現電氣隔離。
[0039]在SOI片的基底層刻蝕一定的深度，形成壓力敏感膜160。一般情況下，該壓力敏感膜的厚度介于120?140 μπι之間。在壓力敏感膜160的上部形成有固有頻率相同的兩諧振器-第一諧振器140和第二諧振器150。其