谐振式压力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及MEMS微传感器技术领域，尤其涉及一种谐振式压力传感器。
【背景技术】
[0002]谐振式压力传感器由其精度高，稳定性好，以及半数字输出、抗干扰性强等优势，广泛运用在气象，宇航等领域。谐振式压力传感器由通常压力敏感膜和谐振子构成。由于谐振子是可动部件，为了实现其低阻尼振动的工作环境，同时保护其免受外界灰尘，湿度，腐蚀等的破坏，谐振器往往需要被密封在真空环境之中。另外，对于压力传感器而言，真空是一个理想的压力参考，不随外界环境(比如温度、湿度、流速等)的变化而变化。因此，谐振器的真空封装是谐振压力传感器的一个必然要求。
[0003]用于圆片级真空封装的技术主要包括:硅硅键合，硅玻璃阳极键合，金硅共晶键合，金属中间层键合，以及玻璃焊料键合等。其中硅玻璃阳极键合对表面平整度要求不太高，无需中间层且强度高，因此广泛用于压力传感器、加速度计、陀螺等的封装过程。但该种方式在谐振式压力传感器的制作与封装过程中仍存在一定的问题:一方面，阳极键合需要提供高电压，容易造成可动部件的静电吸合，导致器件失效；另一方面，采用玻璃进行真空封装，往往需要在玻璃上加工引线通孔，用于与外部的电气连接，然而玻璃的加工相对困难。虽然可以采用喷砂和超声等方式制作通孔，但其加工尺寸受限，并与MEMS工艺不兼容，通用性差。另外，由于使用机械的加工方式，通孔边缘容易产生微裂纹，影响密封的可靠性。
[0004]另一方面，在微机电系统(MEMS)领域，常用于加工谐振子的材料主要是石英和单晶硅。石英具有低的温度系数，因而制作传感器的精度相对较高，但其加工困难，制作的成本高。相对而言，硅的加工工艺相对成熟与完善，刻蚀可以采用干法和湿法两种方式进行，刻蚀速率快，适用于多种形貌的图形加工；特别的，SOI片尤其适合加工可动部件，便于制作谐振子。因此，采用硅片加工具有更高的灵活性，更低的制作成本。虽然硅的温度系数相对较大，但通常可以对传感器进行温度补偿，使其在较宽的温度范围内也有较高的精度。
[0005]温度补偿通常包括硬件补偿和软件补偿。硬件补偿是使用与传感器温度系数相近的硬件设施来进行补偿。这种方式相对简单，但补偿精度差。软件补偿是利用数字电路对传感器输出进行修正。通过控制器采集温度信息，并将温度按照一定的规律来调整传感器的输出，进而使传感器输出在宽的温度范围内都能满足其精度要求。温度的获取途径包括外部温度传感器和集成温度传感器两种方式。外部温度传感器测量的温度与压力传感器本身的温度存在偏差，而且偏差不固定，因此补偿精度不高。集成温度传感器能改善上述问题，但需要引入温度敏感部件，增大了传感器加工的复杂度。
【发明内容】
[0006](一 )要解决的技术问题
[0007]鉴于上述技术问题，本发明提供了一种谐振式压力传感器，用于传感器自补偿，提高传感器补偿精度。
[0008]( 二)技术方案
[0009]本发明谐振式压力传感器包括:传感器本体100，在该传感器本体的底部形成压力敏感膜160 ;在该压力敏感膜160上形成有两谐振器-第一谐振器140和第二谐振器150，其中，该两谐振器具有相同的固有频率，且两者对作用于压力敏感膜上的压力P的灵敏度大小相等，第一谐振器140位于压力敏感膜的中央位置，第二敏感膜150位于压力敏感膜的边缘位。
[0010](三)有益效果
[0011]从上述技术方案可以看出，本发明谐振式压力传感器具有以下有益效果:
[0012](I)采用双谐振器的结构设计，利用双谐振器的差频输出表征传感器的压力特性，降低了温度的影响，改善传感器的压力灵敏度和线性度输出；
[0013](2)利用双谐振器的和频输出表征传感器的温度特性，提高传感器温度灵敏度，实现了压力和温度双参数敏感，并且，利用该温度参数实现压力传感器自补偿，提高压力和温度的测量精度；
[0014](3)在SOI片背面制作引线孔，降低引线互连制作的复杂度，提高真空封装的可靠性，同时，采用SOI过孔引线的方式，可通过金属溅射使器件层形成等电位，避免谐振器吸合失效，提尚流片成品率；
[0015](4)采用阳极静电键合技术和吸气剂技术，实现了谐振器的圆片级真空封装，真空度高，真空保持时间长，相比Druck公司静电激励的谐振式压力传感器单芯片的封装，效率高；相比日本横河公司的圆片级封装，成品率大幅提升；
[0016](5)谐振式压力传感器中的双谐振器在一次刻蚀工艺完成，不会增加工艺复杂度。
[0017]可见，本发明谐振式压力传感器中，两个谐振器频率之差可以表征压力大小，两个谐振器频率之和可以表征温度信息，实现传感器的压力与温度的双参数敏感输出，并可用于传感器双参数自补偿。
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例谐振式压力传感器的三维立体图；
[0019]图2为图1所示谐振式压力传感器中两谐振器的示意图；
[0020]图3A为图2中第二谐振器的结构示意图；
[0021]图3B为图3A所述第二谐振器中除驱动电极和检测电极之外其他部分的结构示意图；
[0022]图4为图1所示谐振式压力传感器背面的示意图；
[0023]图5为图2所示谐振器的驱动检测原理的示意图。
[0024]【主要元件】
[0025]100-传感器本体
[0026]110-基底层；120-绝缘层；130-器件层；
[0027]140-第一谐振器；150-第二谐振器；160-压力敏感膜；
[0028]170-硅连接结构；
[0029]151-第一锚点； 152-第二锚点； 153-双端固支悬空梁；
[0030]154-驱动电极； 155-检测电极；
[0031]181、182、183、184、185、186-接线端子；
[0032]200-盖板；
[0033]210-空腔；220-吸气剂。
【具体实施方式】
[0034]为了解决传感器温度补偿过程中温度测量偏差的问题，本发明提出一种实现压力与温度的双参数敏感的谐振压力传感器。
[0035]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0036]在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种谐振式压力传感器。请参照图1，本实施例谐振式压力传感器包括:传感器本体100，在其底部形成压力敏感膜160，在该压力敏感膜160上形成有固有频率相同的两谐振器-第一谐振器140和第二谐振器150，其中，第一谐振器140位于压力敏感膜的中央位置，第二敏感膜150位于压力敏感膜的边缘位置；盖板200，通过阳极键合真空封装方式密封盖合于SOI片100的上部，其在与压力敏感膜对应的位置形成空腔；数据处理单元(未图示)，用于利用第一谐振器140的谐振频率匕和第二谐振器150的谐振频率f2的差频信息计算得到压力P的信息，还可以利用第一谐振器140的谐振频率和第二谐振器150的谐振频率丨2的和频信息计算得到传感器的温度信息。
[0037]以下对本实施例谐振式压力传感器的各个组成部分进行详细说明。
[0038]请参照图1，传感器本体100由SOI片经MEMS工艺制备而成。该SOI片自下而上包括:基底层110、绝缘层120和器件层130。其中，基底层110和器件层130具有极低电阻率，可形成良好的电气连接，而绝缘层120用于隔开上下两层，实现电气隔离。
[0039]在SOI片的基底层刻蚀一定的深度，形成压力敏感膜160。一般情况下，该压力敏感膜的厚度介于120?140 μπι之间。在压力敏感膜160的上部形成有固有频率相同的两谐振器-第一谐振器140和第二谐振器150。其