Mems压力传感器的制作方法

专利名称：Mems压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及MEMS压力传感器，具体涉及感测谐振MEMS器件的空腔内的压力。
技术背景
在MEMS制造过程中，通常将微结构封装在密闭的微空腔内，以保持真空条件以便 MEMS器件的正确操作。微空腔具有非常小的体积(典型地200X200X2 μ m3)，漏气或放气 很容易破坏真空。因此，重要的是具有一种在产品发布期间、在产品工艺的资格审核期间、 或甚至在谐振MEMS器件的操作期间监控微空腔中的压力的装置。
图1示出了频率为25. 8MHz的体模式计时谐振器(bulk mode timing resonator) 的振荡幅度(S12)的压力依赖性。对于IOmbar(IkPa)以上的压力，谐振幅度开始劣化。
从图1中可以看出，当压力范围在Imbar以上时，由于空气阻尼，适于用作MEMS振 荡器的计时器件的高频(HF)谐振器(高达IOOMHz，但是典型地对于弯曲模式谐振器而言比 对于体模式谐振器而言低)具有有限的Q因子。起到计时器件作用的谐振器应当给出恒定 的性能(稳定的振荡频率和足够的振荡幅度)，因此需要在真空中的操作。因此，与HF计时 器件自身相比，用于在批量生产中测试MEMS谐振器的空腔真空的压力传感器应当对较低 的压力更灵敏。如果可能的话，还应当将压力传感器集成在MEMS微空腔中。
已知多种压力传感器构思，例如
皮拉尼热线(pirani heat wire)，基于气体的热导率；
膜片(diaphragm)，基于隔膜偏转；
热和冷阴极，基于气体的电离化。然而，如在MEMS器件中一样，对于高纵横比小型 化，需要非常高的磁场以达到足够长的电子路径，从而对于气体压力灵敏；
石英和硅的谐振悬臂和音叉，基于气体的阻尼力。
如谐振器和陀螺仪一样，谐振MEMS器件的性能的压力依赖性是阻尼效应的结果。 运动方程是
m*a+b*v+k*x = F(1)
其中
m是有效谐振器质量；
a是加速度；
b是阻尼系数；
ν是速度；
k是弹簧常数；
χ是位移；以及
F是驱动力，如，电极间隙上的静电力。
对于角军 χ = Asin (ω *t)，(2)
弹簧的势能项的幅度与以下成比例
m*A* ω2(3)
在以下替换之后对于力的动能也是如此
co2 = k/m。(4)
同时阻尼项具有幅度
b*A* ω。(5)
如果阻尼项(5)与动能项(3)相当，则阻尼很大。对于越高频率的器件，阻尼相对 越低。基于该原理，得到了用于测量振幅或耗散的变化的压力传感器。然而，机械谐振器的 运动电阻随时间并不十分稳定，这使得在随时间测量绝对压力尤其是低压力的过程中这些 谐振器是不可靠的。
因此，需要一种压力传感器方法，该方法更稳定，并且可以使用与需要压力感测的 MEMS器件所使用的技术相同的技术来容易地实现该方法。发明内容
根据本发明，提供了一种用于感测MEMS器件附近的压力的MEMS压力传感器，包 括
具有压力传感器谐振器元件的单片谐振MEMS器件，所述压力传感器谐振器元件 包括开口阵列，其中，谐振MEMS器件的谐振频率是压力传感器附近的压力的函数，谐振频 率随压力而增大，使得在0到0. IkPa的压力范围上，频率的平均相对变化是至少10_6/Pa。
在本文中，至少10_6的频率相对变化是指频率从f增大到f+Af，其中，Δ是至少 1(Γ6。这还可以被看作是频率的少量变化(fractional change)。
该器件示出了在压力增大的情况下增大的谐振频率。空腔中的气体起到附加弹 簧的作用，并引起硬化。优选地，使用窄蚀刻缝隙(narrow etch slit)和盘穿孔(plate perforation)来防止气体在振荡期间从谐振器间隙逸出。受阻尼的MEMS谐振器的谐振频 移在毫巴(lmbar = 0. IkPa)范围(努森状态，Knudsen regime)内。
本发明基于以下认识对于快速振荡，弹力引起谐振频率发生移位。因此，可以由 其谐振频率对压力灵敏的器件来感测压力。
优选地，压力传感器谐振器元件的开口具有在0. 2 μ m到1 μ m范围内的最大开口 尺寸，以及在5 μ m到20 μ m范围内的平均间距。压力传感器谐振器元件可以具有在1 μ m 到3 μ m范围内的厚度以及在100 μ m2到40，000 μ m2范围内的面积。
这些参数用于调谐压力传感器谐振器元件的响应，以给出谐振频率的期望的压力 依赖性。
优选地，在0到0. OlkPa的压力范围上，甚至在0到0. OOlkPa的压力范围上，频率 的平均相对变化是至少10—71^。因此，在极端低的压力下也可以进行压力感测。
优选地，在0到10_5kPa(10_4mbar)的压力范围上，质量(Q)因子随压力的增大而单 调减小。因此，基于幅度感测，Q因子还可以用作测量参数。
压力传感器可以还包括用于测量压力传感器谐振器元件的电阻以起到皮拉尼元 件的作用的装置。
可以通过压电电阻性、电容性或光学感测方法来读出谐振频率。此外，可以提供 PLL振荡器来随压力变化而跟踪谐振频率和/或相位。
本发明还提供了一种MEMS器件，包括在密封空腔内的谐振器件MEMS元件；以及本发明的压力传感器，用于测量空腔压力。
在一个实例中，可以使用分离的谐振器元件；一个谐振器元件用于MEMS器件(例 如，谐振器或振荡器)，一个谐振器元件用于压力传感器。然而，(MEMS器件的)谐振MEMS 元件可以包括被控制为以横向模式(体模式形状)振动的MEMS谐振器元件，该相同的MEMS 谐振器元件也可以被控制为以垂直谐振模式(平面外模式形状)振动，以形成MEMS压力传 感器的谐振元件。这样，单个谐振器元件可以执行MEMS器件功能以及压力传感器功能。谐 振器元件在被控制为以横向模式振动时可以包括起到计时器件或频率参考作用的体模式 谐振器。
本发明还提供了一种测量MEMS器件附近在0. IkPa以下的压力的方法，包括
监控单片谐振MEMS器件的谐振频率，所述单片谐振MEMS器件具有压力传感器谐 振器元件，所述压力传感器谐振器元件包括开口阵列，其中，谐振MEMS器件的谐振频率是 空腔中压力的函数，谐振频率随压力而增大，使得在0到0. IkPa的压力范围上，频率的平均 相对变化是至少10_6/Pa。
这种压力感测方法可以用于确定具有密闭空腔的MEMS器件中的缺陷。


现在将参考附图详细地描述本发明的示例，附图中
图1示出了体模式计时谐振器的振荡幅度的压力依赖性；
图2示出了弹力常数和阻尼常数的频率依赖性；
图3a示出了 MEMS谐振器的两个示例，其中，阻尼力支配弹力，引起图北的图中所 示的幅度减小；
图4示出了具有顶部电极的硅MEMS压力传感器的示例；
图5示出了如典型地应用在HF计时器件中的方盘和狗骨形谐振器，所述方盘和狗 骨形谐振器可以用作本发明的压力传感器；
图6示出了图5的方盘和狗骨形谐振器的更详细布局；
图7示出了对于不同的压力，图6的方盘谐振器示例的幅度的频率特性；
图8示出了对于不同压力，图6的方盘谐振器示例的相位的频率特性；
图9示出了对如在狗骨形谐振器示例上测量的频移的压力灵敏度；
图10示出了如在狗骨形压力传感器示例上测量的Q因子的压力灵敏度；以及
图11示出了在压力增大的情况下偏离低压力基准频率的谐振频率。
具体实施方式
如上所述，可以认识到，可以利用对谐振器信号的幅度或耗散进行监控，来指示压 力。本发明基于不同的监控机制，该监控机制影响谐振频率。如果谐振器结构内的气体薄 膜无法足够快速地逸出，则这将对弹簧常数k作出贡献。
可以假定对于0. IkI^a范围内的压力，S卩，在努森气体的状态内，不考虑粘性 (viscosity)，气体分子的平均自由程大于器件尺寸(ΒΡ，>100μπι)。
在运动方程(1)中，可以将阻尼系数b和弹簧常数k分解为来自(硅)结构的贡 献bmat和由于气体阻尼而引起的贡献bgas。
b = bmat+bgas (6)
k = kmat+kgas (7)
阻尼系数bgas和弹力系数kgas由以下给出
(8) V α )\ + {ωτ)
if It^(9) Iv α )\λ-{ωτ)
其中
P是器件内部的气体压力；
A是谐振器的正面面积；
d是谐振器到致动电极的间隙宽度；
ω是谐振器的谐振频率；以及
τ是器件空腔内气体的扩散时间。
在 Μ. A. G. Suijlen、J. J. Koning、Μ. A. J van Gils、H. C. W. Beijerinck 的 Squeeze film damping in the free molecular region with full thermal accommodation,Proc. Eurosensors XXII, 2008 中说明了这一点。
该扩散时间是在平均自由程远远大于间隙宽度的稀薄气体中分子从谐振器间隙 逸出的时间。
在这些常量相对于频率ω的曲线图中，可以看出挤压膜相互作用(squeeze film interaction)的特点，如图2所示。
图2示出了由于挤压膜相互作用而引起的弹力常数(实线)和阻尼常数(虚线) 的频率依赖性。下标“squeeze”用于表示常用的挤压膜阻尼，而公式中使用“gas”，在这里 意义相同。
对于非常慢的振荡，ω << 1/ τ，其自身表现为纯幅度阻尼力。
图3a示出了具有这种特性的MEMS谐振器的示例。阻尼力(幅度b*co)支配超 过了弹力，引起幅度减小(参见图北的谐振峰值)。因此，可以根据幅度测量来估计压力。 该方法具有缺陷，因为幅度并不总是可再现的，在Imbar以上的灵敏度变得有限，如图北所 示。因此，图3的示例是由于耗散(幅度b* )支配超过了动能而使得频率不依赖于压力 的器件。这是ω* τ << 1状态(参见图2)，其中空气可以通过盘穿孔容易地逸出。
对于快速振荡，ω >> 1/τ，阻尼力变成添加到弹簧常数的弹力，如等式(7)所 示。机械器件振荡得过快以至于气体无法逸出。
本发明基于阻尼力与压力之间的联系、以及得到的弹簧常数变化对谐振频率的影 响。
本发明提供了一种单片谐振压力传感器，以感测诸如HF计时谐振器等体模式谐 振MEMS器件的微空腔中的压力。压力传感器比HF计时谐振器自身对较低的压力更灵敏。 本发明可以被实现为空腔中分离的MEMS谐振器，或者可以通过使用不同的谐振模式而将 MEMS计时谐振器自身用作压力传感器。所述不同的谐振模式可以是谐振MEMS器件的垂直 谐振模式(折曲模式或弯曲模式)，而谐振MEMS器件通常工作在横向体模式谐振下。这避 免了在相同的微空腔内具有第二个MEMS器件。
谐振频率用于感测压力，该谐振频率可以在几百千赫或更低的范围内。本发明的 压力传感器依赖于使频率随压力而发生移位的气体压力的强弹力。
在0到0. IkPa的压力范围上，频率的平均相对变化至少是因子10_6/!^。因此，在 0到0. IkPa的范围上，至少有因子10_4(即，IOOppm)的相对变化。少量变化对压力的斜率 越陡峭，越容易确定压力。优选地，在0到0. IkPa的范围上，频率的平均变化可以是多于 10"5/Pa的因子，甚至高达10_4/Pa，S卩，在0到0. IkPa的范围上，相应地多于IOOOppm因子以 及高达10，OOOppm的变化。
可以通过不同的常规方法从压力传感器读出谐振信号。实质上，有两种可能的方 法
谐振器类型，其中，可以通过阻抗分析器来探测谐振，以跟踪谐振频率；或者
振荡器类型，其中，反馈放大器或PLL的输出可以用于跟踪谐振频率。
可以通过诸如电容性、压电电阻性或光学读出机制等多种机制来读出谐振器位 移。最常见的是电容性读出系统。
在一个实现方式中，MEMS器件包括密封空腔内的主器件的谐振MEMS元件，所述谐 振MEMS元件被控制为以横向模式(体模式)振动。用于测量空腔压力的压力传感器使用 相同的但是被控制为以垂直谐振模式振动的MEMS谐振器元件。
为了激励垂直谐振模式，除了针对体模式的横向驱动电极以外，还提供了顶部电 极。备选地，谐振器元件下方的基底接触(substrate contact)可以用于激励。
图4示意性地示出了适于实现本发明的压力传感器的结构的示例。
对于体模式，谐振器元件40由横向电极42来致动，而对于垂直压力感测模式，谐 振器元件40由顶部电极44来致动。可以通过利用电绝缘气密膜46盖在谐振器上并在电 绝缘气密膜46的上面沉积金属层44，来制造顶部电极44。
垂直模式下的频率响应取决于谐振器元件40的设计，具体地，取决于谐振器元件 的孔口(orifice)，因为这些会影响阻尼特性。假定均勻的开口(opening)阵列，以下表格 示出了硅MEMS压力传感器的示例制造规范。
参数固定的/可变的最小值最大值正面谐振器面 积(A)可变的ΙΟχΙΟμηι2160χ160μηι2谐振器厚度(t)固定的1.5μιη1.5μηι间隙宽度(d)固定的Ι.ΟμπιΙ.Ομπι蚀刻孔尺寸(1)可变的0.2μηιΙμηι蚀刻孔间距(h)可变的5μπιΙΟμπι
从固定元素由所使用的工艺来确定的意义上来讲，固定元素是固定的，而可变参 数是在工艺中可以使用合适的掩模来选择的。然而，“固定”参数也可以具有不同值，例如，谐振器元件厚度在1 μ m到3 μ m的范围内，谐振器元件以上或以下的间隙宽度在1 μ m至IJ 3μπι范围内。面积通常可以在100 μ Hi2到40，000 μ Hi2的范围内。
图5示出了典型地应用在HF计时器件中的方盘和狗骨形谐振器。该图示意性地 示出了由于垂直弯折模式而非横向体模式下的操作而引起的偏转(deflection)，以便实现 本发明的压敏传感器设计的示例。
图6示出了图5的硅方盘和狗骨形谐振器的更详细布局。暗区域表示用于横向体 模式下的谐振器操作的电极。
压力传感器可以用于感测内部空腔压力、或用于在空腔闭合之前感测环境压力、 或用于在空腔没有闭合的情况下感测环境压力。例如，为了检测外部压力，可以提供通过基 底的排气孔，或者可以省略在密封工艺中闭合蚀刻孔的步骤。因此，本发明可以用于形成用 于在毫巴范围内的外部压力感测的器件。
基于对未覆盖的(即，没有图4的覆盖层44)谐振器示例的分析，来示出这些器件 的特性。这意味着微空腔打开，使得外部施加到真空腔室的压力可以被控制并且随控制参 数而变化，从而使得可以得到压力传感器的特性。
图7示出了针对不同压力的方盘谐振器的幅度的频率特性。频率随压力而增大， 但是峰值幅度减小。
图8示出了针对不同压力的方盘谐振器的相位的频率特性。
图9示出了基于如在狗骨形谐振器示例上测量的频移测量而得到的压力灵敏度。
在0.4mbar(0.04kPa)以上，由于在该压力以上阻尼减小了幅度，所以以5伏而不 是2伏的偏置电压来测量狗骨谐振器示例上的压力灵敏度结果。因此，偏置电压可以用于 补偿频率峰值幅度随压力的增大而减小。这导致图9中0.4mbar左右的较小偏移。在没有 该轻微偏移(在图9中可以看到)的情况下，函数几乎是完美的线性的。
为了得到压力与频率灵敏度之间的唯一的关系(Af/f)，可以调整电极偏置幅度。
图10示出了如在狗骨形谐振器示例上测量的质量因子的压力灵敏度。
这示出了在较高压力下，幅度监控和频率监控都是优选的，或者幅度监控是优选 的而频率监控不是。
在晶片级预测试中在晶片上的压力监控可以利用阻抗分析器来确定晶片上多个 谐振器的谐振频率。该工具在测试加工(test fabs)中是标准可用的。
由于工艺扩展(process spread)，晶片上预期有几百ppm的频率扩展。狗骨形谐 振器示例示出了 4X10_5/Pa(4000ppm/mbar)左右的压力对频率灵敏度。
如果采用500ppm的任意工艺扩展，则将得到在小于0. 02kPa(0. 2mbar)压力下的 测量扩展。在该范围之外的值将被空腔压力测试所拒绝。高频计时模式的谐振也可能不起 作用，从而整个谐振器器件会有缺陷。这样，对各个单独器件上压力感测模式的阻抗分析器 测试是用于检测晶片上故障器件的灵敏测试。因此该方法对于在晶片级识别有缺陷的器件 或微空腔、防止组装和封装的额外成本来说是有用的。
对于微空腔气密性和放气的资格认证，希望有六周的有限时间跨度。所需的寿命 跨度可以是10年(大约600周)，从而资格测试应当对于漏气和放气比对于HF计时器件的 IkPa的所需压力更灵敏。利用图9的灵敏度，将清楚该方法可以用作可靠性测试的能力。
传感器可以用于在开放式封装的情况下感测0. 05Pa到0. IkPa范围内的外部压力。这可以用于压力传感器校准，或使得可以使用传感器来进行外部压力监控，例如用于监 控工艺条件。这可以与压力传感器校准相结合。与目前针对Imbar范围的隔膜压力传感器 不同，该器件在突然暴露于1个大气压(大约IkPa)下的情况下不会被破坏。
如上所述，如图10所示，Q因子灵敏度也可以用作压力读出。这可能需要定期校 准，因为谐振器的幅度可能随时间不是很稳定。
压力传感器也可以用作皮拉尼元件。通过限定经由锚(anchor)通过谐振器而经 过器件的电流，谐振器被加热。悬挂的支撑体的热电阻是由于硅引起的。因为支撑体窄(在 本发明情况下是2μπι)且薄(1.5μπι)并且长度为3μπι(可变的设计，可以更短或更长)，所 以热电阻变大(大约lOOOOK/Watt)。谐振器的温度可以是不均勻的。对于皮拉尼元件来说 典型的是，气体的热导率使得热的元件根据气体压力而冷却。
谐振频率取决于气体压力，因此谐振器梁可以用作皮拉尼元件，尤其适于用在高 压下。
图11示出了在压力增大的情况下偏离低压力基准频率的谐振频率。
对于图11所示的高压，当谐振已变得非常宽广时，电阻的测量也可以用于感测 皮拉尼元件的温度，而谐振器根本不需要谐振。电阻与温度有关，并且电阻将根据周围 气体的热导率而变化。在 S.Bendida、J. J. Koning、J. J. Μ· Bontemps、J. Τ. M. van Beek、 D. ffu> M. A. J. van Gils 禾口 S. Nath 的 Temperature stability of a piezoresistive MEMS resonator including self-heating, Microelectronics Reliability,48(2008), PP1227-1231中公开了电阻与温度的关系。
这将压力传感器器件的灵敏范围扩展到了高压。
利用器件的自加热，可以稳定弹簧阻尼压力传感器的温度，以降低压力传感器的 灵敏度。
本发明特别关注于单独器件密闭空腔中真空压力的探测，使得可以在不需要额外 压力传感器设计的情况下对每个微空腔压力进行质量测试。
传感器使得可以通过利用阻抗分析器测量垂直谐振模式，来对HF谐振器进行晶 片级MEMS器件测试。与封装之后再进行最终测试相比，晶片级测试更节约成本，这是因为 晶片级测试需要更少的测试时间、更少的封装处理，并且对于可以在晶片级测试中被取消 资格的器件来说没有封装和最终测试成本。封装和测试成本可能大约占总成本的15%。
全电容性系统是有利的，因为全电容性系统比类似的热/皮拉尼传感器和/或热 丝极(filament)消耗更少的功率。
本发明使用阻尼的弹簧效应。频移不取决于检测到的幅度。因此，压力传感器器 件对于机械弹簧引起的阻尼来说并不是关键的。
良好的质量因子提高频率分辨率，因为良好的质量因子给出了较尖锐的峰值。这 使得压力传感器的动态范围扩展到低得多的压力。可以实现10-4/ 量级上的频移的压 力灵敏度。该非常高的灵敏度(104ppm/mbar)取决于压力。例如，质量因子可以限制频谱 中峰值的分辨率，例如限制到大约10_7Pa(100ppm/mbar)。这意味着可以确定压力下降到 10_2mbar。采用较小的间隙和MEMS排气孔，可以进一步将压力优化到至少10_3mbar。
表面微机械加工提高了制造精度，从而可以提高对低压力的灵敏度。
本发明的压力传感器与许多微结构布局兼容。标准CMOS铸造中的便宜工艺处理9是可能的。如上所述，利用六周(预期寿命的 1%)的标准产品发布测试的可靠性测试是 可行的。
可以将器件制造成单片(monolithic)的。该器件比组装的压力传感器受温度膨 胀的影响更小，温度膨胀会引起应力，从而导致谐振频率的移位。
与隔膜压力传感器相比，本发明的器件提供了以下优点性能不受层应力和封装 应力的影响，因为灵敏度受所设计的悬挂的限制。
即使为正被监控的MEMS谐振器器件提供分离的谐振器，CMOS集成也仍然可行。
传感器的响应在亚毫巴压力范围上是线性的。本发明可以用在用于处理、研究和 制造的所有类型的真空设备中。
在高压力下，当谐振器的质量因子变低并且谐振峰变得过宽以至于无法实现灵敏 的压力测量时，该器件可以用作皮拉尼元件。电阻测量可以用于确定压力。由于低压力下频 移的精确检测以及高压力下的皮拉尼元件，动态范围可以高达五十倍程(five decades) 0 使用通过器件的自加热电流，可以稳定温度以降低压力传感器的灵敏度。
压力传感器可以免受由于真空系统故障所引起的突然的大气压而遭到破坏。可以 使压力传感器的谐振元件固定以免受如在空间发射过程中或在离心机中经历的严重的重 力。可以通过使用电子反馈控制回路来实现这种固定，以保持位移恒定，其中所述电子反馈 控制回路保持感测电极至感测谐振器的电容值。响应时间可以在微秒的量级上，以测量或 控制残留气体压力的快速暂态，由于微瓦的功耗，传感器可以工作在超低温度下。可能的小 型化和低成本意味着能够在维护有限的传感器头部内置冗余，例如在核或空间应用中。
本发明提供了一种例如使用表面微机械加工的硅基底而形成的单片结构。通过谐 振器开口对掩埋氧化层的湿蚀刻或干蚀刻执行牺牲蚀刻工艺。开口还提供了谐振器设计的 额外的自由度，可以根据谐振器是要工作在具有压敏频移的挤压膜阻尼状态下还是要工作 在幅度敏感状态下，来选择开口的设计。孔的数目随功能的不同而不同。
尽管可以为不同的功能提供分离的器件，然而仍然尤为感兴趣的是将一个谐振器 元件双重地用作空腔真空监视器和HF振荡器。工作在低频平面外模式形状下的谐振器元 件给出卓越的真空压力感测能力，以测试高频振荡器应用所需的空腔真空。在高频模式下， 元件工作在体模式形状下。适于激励平面外模式形状的器件使得可以通过诸如LCR计量器 之类的常见测试工具来对(双重用途的)谐振器元件进行晶片级功能测试。
对于本领域技术人员来说各种修改是显而易见的。
权利要求
1.一种用于感测MEMS器件附近的压力的MEMS压力传感器，包括具有压力传感器谐振器元件GO)的单片谐振MEMS器件，所述压力传感器谐振器元件 (40)包括开口阵列，其中，谐振MEMS器件的谐振频率是压力传感器附近的压力的函数，谐 振频率随压力而增大，使得在0到0. IkPa的压力范围上，频率的平均相对变化是至少10_6/ Pa。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，压力传感器谐振器元件GO)的开口具有 在0. 2μπι到Iym范围内的最大开口尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其中，压力传感器谐振器元件00)的开口 具有在5 μ m到20 μ m范围内的平均间距。
4.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的压力传感器，其中，压力传感器谐振器 元件^))具有在1 μ m到3 μ m范围内的厚度以及在100 μ m2到40，000 μ m2范围内的面积。
5.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的压力传感器，其中，在0到0.Olltfa的压 力范围上，频率的平均相对变化是至少10_6/Pa，优选地，在0到0. OOlkPa的压力范围上，频 率的平均变化是至少10_6/Pa。
6.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的压力传感器，其中，在0到10_5kPa的压 力范围上，Q因子随压力的增大而单调减小。
7.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的压力传感器，还包括用于测量压力传 感器谐振器元件的电阻以起到皮拉尼元件的作用的装置。
8.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的压力传感器，其中，谐振频率是通过压 电电阻性、电容性或光学感测方法来读出的。
9.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的压力传感器，还包括PLL振荡器，用于 随压力变化而跟踪谐振频率和/或相位。
10.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的压力传感器，其中，压力传感器谐振器 元件GO)处于开放的腔室中，以感测腔室附近的环境压力。
11.一种MEMS器件，包括在密封空腔内的谐振器件MEMS元件00)；以及如权利要求 1至9中任一项所述的压力传感器，用于测量空腔压力。
12.根据权利要求11所述的器件，其中，单个MEMS谐振器元件00)被控制为以横向模 式振动，以起到器件谐振器元件的作用，以及被控制为以垂直谐振模式振动，以起到压力传 感器谐振元件的作用。
13.根据权利要求12所述的器件，其中，谐振器元件在被控制为以横向模式振动时包 括起到计时器件或频率参考作用的体模式谐振器。
14.一种测量MEMS器件附近在0. IkPa以下的压力的方法，包括监控单片谐振MEMS器件的谐振频率，所述单片谐振MEMS器件具有压力传感器谐振器 元件(40)，所述压力传感器谐振器元件00)包括开口阵列，其中，谐振MEMS器件的谐振频 率是空腔中压力的函数，谐振频率随压力而增大，使得在0到0. IkPa的压力范围上，频率的 平均相对变化是至少10_6/Pa。
15.一种确定具有密闭空腔的MEMS器件中的缺陷的方法，包括使用如权利要求14所 述的方法来测量密闭空腔中的压力。
全文摘要
一种用于感测MEMS器件的密闭空腔中的压力的MEMS压力传感器，包括具有压力传感器谐振器元件的谐振MEMS器件，所述压力传感器谐振器元件包括开口阵列。谐振MEMS器件的谐振频率是空腔中的压力的函数，谐振频率随压力而增大。在0到0.1KPa的压力范围上，频率的平均相对变化是至少10-6/Pa。本发明基于以下认识对于快速振荡，弹力使谐振频率移位。因此，可以由其谐振频率对压力灵敏的器件来感测压力。
文档编号G01L9/00GK102032970SQ20101051273
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月8日 优先权日2009年10月7日
发明者扬·雅各布·科宁, 赫尔曼·西恩拉德·威廉·贝吉林克, 马菲积斯·斯维伦 申请人:Nxp股份有限公司