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
【專利摘要】本發明公開了一種基于SOI工藝的電磁激勵電磁檢測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真空陽極鍵合形成。單晶硅H型諧振器工作于參考真空中，不受待測氣壓介質的影響，品質因數較高，頻率輸出穩定。本發明在實現圓片級真空封裝的同時，解決了圓片級封裝引線困難的問題。
【專利說明】—種基于SOI工藝的高精度硅微諧振式氣壓傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及微電子機械系統中的MEMS氣壓傳感器技術，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】
[0002]微電子機械系統(Micro-Electro-MechanicalSystems,簡稱 MEMS)是一種在融合多種微細加工技術，利用從半導體技術中發展而來的成熟技術，MEMS器件可進行大批量、低成本生產。另外，MEMS器件普遍具有體積小，穩定性好等特點，在航空航天、汽車制造等多個領域中廣泛應用。
[0003]諧振式氣壓傳感器的輸出檢測信號由諧振器的振動頻率信號直接轉換而成，相對于電容式、電阻式和壓電式等輸出的幅度信號(主要是電壓幅值)，頻率信號具有更高的穩定性和抗干擾能力。
[0004]現有硅微諧振式氣壓傳感器的敏感結構一般被設計為由諧振器和氣壓敏感膜組成，被測氣壓經氣壓敏感膜轉換為膜片的應變，膜片的應變使諧振梁受到軸向應力作用，從而改變其剛度特性，進而使得諧振梁的頻率發生改變，通過測量諧振梁的頻率來獲得氣壓的大小。
[0005]為實現氣壓測量，通常要在氣壓敏感膜一側形成真空參考腔。為提高性能，諧振器也需要被放置在真空環境下。日本橫河電機公司采用片上真空密封的方法(參考專利申請“Vibration type pressure sensor”,專利申請號:US2006/0010981 Al),實現諧振器的真空密封。申請號為CN201010247579.3的專利申請提到了金屬管殼真空封裝的方法，通過單次真空封裝同時實現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，生產效率低、產品成本偏高。專利申請CN201010218423.2提到了采用中間層鍵合技術的圓片級封裝，經過半導體工藝制作好的基片與下蓋基片通過樹脂材料來進行黏合鍵合，形成真空參考腔，實現圓片級封裝。
[0006]然而CN201010218423.2所提到的方法將沒有將四個諧振器放置于真空參考腔內，使得諧振器暴露在大氣中，大大降低了諧振器的品質因數。
[0007]另外，中間層鍵合技術采用的有機材料會引入較大應力，影響氣壓傳感器的輸出穩定性。
【發明內容】
[0008]為解決現有技術中存在的上述問題，本發明提出了一種基于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H型諧振器(11)、支撐錨點(12)和氣壓敏感膜(13);所述H型諧振器(11)通過所述支撐錨點(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)通過陽極鍵合地方式緊密地結合成一體，圍成真空參考腔(16)，使得所述兩個H型諧振器(11)被密封在所述真空參考腔中。[0009]本發明與現有技術相比，有顯著優點:(1)利用陽極鍵合的方法實現圓片級真空封裝，在減小應力、提高傳感器輸出穩定性的同時能夠提高生產效率、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因數較高，輸出更加穩定，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線，解決了圓片級封裝引線困難的問題；(4)采用電磁激勵和電磁檢測的方法，有效地補償諧振器的能量消耗，提高了傳感器品質因數；(5)傳感器加工工藝簡單，成品率高，適于批量生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明提出的傳感器芯片的結構剖面示意圖；
[0011]圖2是本發明提出的傳感器芯片的解剖圖；
[0012]圖3是本發明提出的傳感器芯片上H型諧振器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0013]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。
[0014]如圖1和2所示，本發明提出了一種基于SOI工藝的電磁激勵電磁檢測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通過應力隔離層2固定在金屬管座3上；金屬管座3置有八個管針6，通過金絲球焊的引線7與傳感器芯片I上引線孔8中的金屬電極相連，起到電信號引出的作用；磁鐵5固定在帶有導氣孔的管帽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，為了進一步減小熱應力對器件的影響，應力隔離層2只固定傳感器芯片I的一角。傳感器芯片1、應力隔離層2和金屬管座3三者可以通過環氧膠粘接在一起，起到固定和支撐芯片的作用。為保護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，其下端通過環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H型諧振器11、八個支撐錨點12、氣壓敏感膜13、八個引線端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，通過陽極鍵合的方法與SOI硅片9緊密地結合在一起，形成真空參考腔16，使得所述兩個H型諧振器11被密封在所述真空參考腔16內。
[0017]通過光刻、深刻蝕等半導體工藝，在SOI硅片9上重摻雜的低阻單晶硅器件層上制作所述兩個H型諧振器11、八個支撐錨點12、八個引線端14和真空密封框15，而所述氣壓敏感膜13由SOI硅片9的基底層通過深刻蝕制作而成。其中兩個H型諧振器11懸空，兩個H型諧振器11中每一個的四個端點各自通過所述八個支撐錨點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兩個支撐錨點12和兩個引線端14構成驅動電流(或檢測電流)的通路。其中每個引線端14通過溝槽與周圍隔離開，防止發生短接。通過化學腐蝕或者精密機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。最后通過陽極鍵合的方法將硼硅玻璃蓋片10與SOI硅片9緊密地結合在一起，圍成真空參考腔。
[0018]如圖3所示，所述H型諧振器11由兩根長度、寬度和厚度完全一致的雙端固支矩形梁構成，兩根梁的中心部位用一個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能夠同時同相同頻振動。
[0019]所述H型諧振器11采用電磁激勵檢測的方式實現傳感器的信號檢測和輸出，當H型諧振器11的單根梁通過交變電流時，由于磁鐵提供了垂直于紙面方向的磁場，所述H型諧振器11受到平行于紙面的安培力。當通過的交變電流頻率與諧振器的固有頻率一致時，諧振器振動幅度最大，另一根單梁由于切割磁感線產生了交變電動勢，因此會對外輸出電信號，而此電信號頻率與所述H型諧振器11固有頻率相同。
[0020]由于氣壓敏感膜13的一側為真空參考腔16，當有Z軸方向氣體壓力作用在氣壓敏感膜13的另一側，氣壓敏感膜13將會發生形變。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)受到壓應力，而另一個諧振器11受到拉應力。兩個H型諧振器所受到的彎曲應力會導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采用電磁激勵電磁檢測的方式，通過外部檢測電路的驅動，可以將其固有頻率轉化為電信號輸出，因此進一步就可以通過所輸出的電信號頻率的變化檢測出氣壓的變化。
[0021]由于兩個諧振器所受應力方向相反，且兩個H型諧振器11的結構參數完全相同，按照應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H型諧振器11的固有頻率變化方向相反，能夠實現差分檢測，使得器件靈敏度大幅提高。
[0022]綜上所述，本發明的方案由于采用了兩個諧振器的設計，有利于調整諧振器的長度和固支點的位置等參數；且本發明直接采用低阻硅進行導電，通過深刻蝕得到的溝槽和SOI硅片中的絕緣層來使不同的電流通路絕緣；本發明通過將諧振器封裝在真空中，提高了傳感器的品質因數；本發明還采用硅-玻璃陽極鍵合來完成真空封裝，有效地提高了生產效率并降低了熱應力。
[0023]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
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H型諧振器(11)、支撐錨點(12)和氣壓敏感膜(13);所述H型諧振器(11)通過所述支撐錨點(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)通過陽極鍵合地方式緊密地結合成一體，圍成真空參考腔(16)，使得所述兩個H型諧振器(11)被密封在所述真空參考腔中。
2.根據權利要求2所述的氣壓傳感器，其特征在于:所述兩個H型諧振器(11)和支撐錨點(12)由所述SOI硅片(9)上重摻雜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H型諧振器(11)懸空，其中每一個H型諧振器(11)的兩根平行梁的四個端點各自通過支撐錨點(12)固支于氣壓敏感膜(13)上。
3.根據權利要求2所述的氣壓傳感器，其特征在于:所述H型諧振器(11)由兩根長度、寬度和厚度完全一致的平行雙端固支矩形梁構成，兩根平行梁的中心部位用一個厚度與梁一樣的矩形塊連接，以確保兩根梁在低階頻率時能夠同時同相同頻振動。
4.根據權利要求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的兩個支撐錨點(12)和兩個弓丨線端(14)構成驅動電流的通路，而所述H型諧振器(11)的兩根平行梁中的另一根則與相應的另外兩個支撐錨點(12)和另外兩個引線端(14)構成檢測電流的通路。
5.根據權利要求1所述的氣壓傳感器，其特征在于:采用電磁激勵檢測的方式實現所述氣壓傳感器的信號檢測和輸出。
6.根據權利要求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)；且當所述H型諧振器(11)的一根梁通過交變電流時，磁鐵(5)提供垂直于紙面方向的磁場，所述H型諧振器(11)受到平行于紙面的安培力；而當通過的交變電流頻率與所述H型諧振器(11)的固有頻率一致時，所述H型諧振器(11)的振動幅度最大，且另一根梁切割磁感線產生交變感生電動勢，進而輸出與所述H型諧振器(11)固有頻率相同的電信號。
7.根據權利要求1所描述的氣壓傳感器，其特征在于:氣壓敏感膜(13)的一側為真空參考腔(16)，當有Z軸方向氣體壓力作用在氣壓敏感膜(13)的另一側時，氣壓敏感膜(13)發生形變，使得放置在氣壓敏感膜(13)邊緣的H型諧振器(11)受到軸向壓應力，而另一個H型諧振器(11)受到軸向拉應力，而所述另一個H型諧振器(11)所受到的軸向應力導致其固有頻率發生變化，進而導致所輸出的電信號發生變化，以此檢測出氣壓的變化。
8.根據權利要求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力隔離層(2)，且所述應力隔離層(2)用于固定傳感器芯片(1)的一角。
9.根據權利要求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)通過所述應力膈應層(2)固定在所述金屬管座(3)上；所述蹦硅玻璃蓋片(10)上還具有多個引線孔(8)，所述金屬管座(3)上置有多個管針(6)，所述管針(6)通過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.根據權利要求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上重摻雜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)緊密結合而形成所述真空參考腔(16)。
【文檔編號】B81B3/00GK103900753SQ201210587264
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月28日 優先權日:2012年12月28日
【發明者】陳德勇, 曹明威, 王軍波 申請人:中國科學院電子學研究所