一种双H型受拉梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法与流程

本发明属于微纳传感器技术领域，具体涉及一种双h型受拉梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法。

背景技术：

硅微谐振式压力传感器作为代表当今世界压力传感器最高水平和最具综合技术优势的传感器技术，可以应用于机载大气数据测试系统、航空大气数据校验仪、机舱压力测试、航空航天地面测试系统和高性能风洞等领域，可以做成压力探头嵌入机身、机翼等用于分布压力测量，是大型运输机、新型战斗机、空天飞行器、巡航导弹、航空母舰、直升机和无人机等重大工程的核心器件。

相对于静电激励、压阻检测机制，硅微谐振式压力传感器的其他常用的工作方式有如下缺点：(1)相对于静电激励，热激励是一种接触式激励方式，会损伤谐振器的表面，在激励过程中产生的热量会引起谐振器的频偏，从而会使传感器的稳定性与测量精度受到影响，热激励需要完成电能-热能-机械能的转化，从而会使传感器工作时产生较大的功耗；另外热激励过程响应较慢，会降低传感器的响应速度；(2)相对压阻检测，电容检测容易受到环境干扰，是一种抗干扰能力较弱的检测方式；(3)电磁激励、电磁检测需要外置磁场，会使传感器难以小型化。

但基于静电激励、压阻检测方式的硅微谐振式压力传感器存在结构较为复杂，技术难度较大，研究较少。全球范围内，只有英国druck公司实现了基于静电激励、压阻检测的硅微谐振式压力传感器的量产，且精度高达0.01％fs。日本横河电机株式会社的硅微谐振式压力传感器则采用电磁激励、电磁检测的工作方式，其谐振器是利用选择性外延生长和牺牲层技术得到，谐振梁放置于真空腔内，并嵌入在压力敏感膜的上表面，整体精度优于0.02％fs，温度系数小于5ppm/k，因为其难以集成，在许多场合难以应用。

基于静电激励、压阻检测的硅微谐振式压力传感器既要满足高品质因子要求，又要满足易控制要求以及可靠性要求。druck公司设计的压阻拾振谐振式硅微压力传感器，其拾振结构较为复杂，增加了加工难度；同时为了提升检测精度，谐振器需要较高q值；为了降低闭环控制难度，应保证谐振器谐振状态稳定输出。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种双h型受拉梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法，以提高硅微谐振式压力传感器的品质因子和检测精度。

为达到上述目的，本发明所述一种双h型受拉梁硅微谐振压力传感器芯片包括谐振器和压力敏感膜，压力敏感膜上固定有锚点；谐振器包括谐振梁和扭转梁，谐振梁共有两组，两组谐振梁相对设置，相邻的两根谐振梁一端的延伸部连接至同一扭转梁，谐振梁另一端与质量块连接，质量块中部设置有耦合梁，耦合梁中部设置有拾振电阻，质量块两侧分别与两个可动电极固定连接，两个可动电极外侧均设置有固定电极，固定电极两端均与固定电极锚点固定连接，固定电极锚点通过柔性梁与外部框架连接，谐振器通过固定电极锚点与锚点连接。

进一步的，固定电极通过锚点与压力敏感膜固定连接。

进一步的，固定电极与可动电极均为梳齿电极。

进一步的，相邻的两个谐振梁之间设置有连接梁。

进一步的，耦合梁的厚度为谐振器整体厚度的10％-100％。

进一步的，拾振电阻以耦合梁的中心线为对称轴对称布置。

进一步的，每组h型梁包括四根谐振梁。

一种双h型受拉梁硅微谐振压力传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：对压力敏感膜硅片进行双面热氧化，在压力敏感膜硅片上下表面各形成一层二氧化硅；

步骤2：光刻使二氧化硅层图案化；

步骤3：将压力敏感膜硅片进行湿法刻蚀，形成锚点；

步骤4：将步骤3得到的结构进行热氧化，在其表面形成氧化硅；

步骤5：对谐振器硅片进行双面热氧化形成掩膜层，并在掩膜层上涂胶，然后进行光刻使sio2层图案化；

步骤6：将谐振器硅片去胶并进行深反应离子刻蚀，形成耦合梁减薄区域，然后去除表面掩膜层sio2；

步骤7：将步骤6得到的结构和步骤4得到的结构进行真空键合；

步骤8：将步骤7得到的结构减薄、研磨、化学机械抛光；

步骤9：对步骤8得到的结构进行化学气相沉积二氧化硅层作为掩膜层；光刻刻蚀使正面的二氧化硅层图案化，去除正面轻掺杂区域内的热氧二氧化硅层；用二氧化硅层充当掩膜，然后进行硼离子轻掺杂，形成轻掺杂区，即拾振电阻；然后进行再分布的阱推扩散退火，使拾振电阻的杂质浓度均匀分布；

步骤10：在步骤9得到的结构上淀积二氧化硅层，然后图案化，并去除正面重掺杂区域内淀积的二氧化硅层，其余区域的二氧化硅层充当掩膜；进行硼离子重掺杂，形成低阻值的欧姆接触区，并进行再分布扩散退火过程，使得欧姆接触区的杂质浓度均匀分布；

步骤11：在步骤10得到的结构上端面整个表面制作出ti/al层，然后去除金属引线外其他区域的金属层，形成金属引线和金属焊盘结构，并进行合金化；利用化学腐蚀去除sio2掩膜层；

步骤12：在步骤11得到的结构上表面pecvd二氧化硅层，然后进行光刻，使二氧化硅层图案化，剩余的二氧化硅层充当drie掩膜层；

步骤13：进行深反应离子刻蚀，形成谐振器整体结构；

步骤14：在步骤13形成的结构下部旋涂光刻胶并进行光刻感压膜窗口，然后单面腐蚀感压膜窗口，去除sio2，进行湿法刻蚀，形成压力敏感膜；

步骤15：利用湿法去除谐振器表面所有二氧化硅层；

步骤16：将步骤15的结构与密封盖、以及应力玻璃导压板进行真空阳极键合，完成整体封装。

进一步的，谐振器、压力敏感膜均使用双面抛光n型半导体硅片制作，密封盖与玻璃导压板均为pyrex玻璃制作。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

1)本发明利用锚点的放大原理，将敏感膜的应力和形变进行放大后，传递给谐振器，使双h型梁受拉，提高了传感器的灵敏度；通过对称的双h型梁设计，工作模态为两个h型梁相对振动，可有效避免谐振梁与压力敏感膜直接的能量交换，提高了传感器的品质因子，进而提升了检测精度；耦合梁上布置拾振电阻，有利于去除其他模态的干扰，提高信噪比。

2)通过耦合梁减薄，有效地降低了耦合梁的附加刚度和附加质量，从而提升了谐振器灵敏度。在相同谐振频率下，传感器的灵敏度与精度达到最优；该谐振器可实现灵敏度的可调范围为10hz/kpa-50hz/kpa，精度优于0.01％fs。

3)通过固定电极与可动电极的随动设计，降低了加载以及振动过程中的面外位移差，当矩形敏感膜受压变形时，固定电极和可动电极随矩形敏感膜一起沿z向移动，减少电极间的相对高度差，从而满足在运动过程中谐振器的静电驱动力基本不受敏感膜变形的影响，降低传感器闭环控制难度。

4)连接两个质量块的矩形框耦合梁，实现振动模态耦合；并在耦合梁上掺杂感压电阻，实现压阻拾振功能。

5)相邻的两个谐振梁之间设置有连接梁，通过扭转梁与刚性连接梁组合设计，有效降低了谐振梁的面内扭转，降低了因为谐振梁面内扭转所引起的可动电极与固定电极之间的间距变化，提高了抗环境干扰能力。

6)耦合梁的厚度为谐振器整体厚度的10％～100％，用于调节工作模态基础频率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的纵剖图；

图3为图1的局部放大图；

图4为图3的横剖图；

图5为耦合梁和拾振电阻的局部放大图；

图6是不含连接梁时加载后扭转梁/谐振梁变形示意图；

图7是含连接梁时加载后扭转梁/谐振梁变形示意图；

图8为本发明的制备工艺流程示意图；

附图中：1、谐振器，2、锚点，3、压力敏感膜，4、延伸梁，5、谐振梁，6、质量块，7、耦合梁，8、连接梁，9、扭转梁，11、柔性梁，12、固定电极，13、可动电极，14、金属引线，15、拾振电阻，16、玻璃导压板，17、密封盖，18、固定电极锚点，21-压力敏感膜硅片、22-谐振器硅片、23-氧化硅、24-光刻胶、25-轻掺杂区、26-重掺杂区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是基于附图所示的方位或位置关系而进行描述，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、或特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1和图2，一种双h型受拉梁硅微谐振压力传感器芯片包括自下而上依次设置的玻璃导压板16、矩形的压力敏感膜3、谐振器1和密封盖17，其中，压力敏感膜3为矩形薄膜，谐振器1与压力敏感膜3均采用单晶硅片加工，玻璃导压板16和密封盖17采用pyrex玻璃制成，最终采用低温键合工艺完成真空封装。

参照图3和图4，谐振器1由左右对称的两套谐振结构组成，分别包括谐振梁5、质量块6、连接梁8、扭转梁9、延伸梁4、柔性梁11、固定电极12、可动电极13、拾振电阻15以及固定电极锚点18，以及两套谐振结构之间的耦合梁7。

其中，谐振器1通过固定电极锚点18与压力敏感膜3上的锚点2连接。每一个h型梁共有四根谐振梁5，两个h型梁对称设置，相邻的两根谐振梁5一端的延伸部连接至同一扭转梁9，连接至同一扭转梁9的两根谐振梁5之间固定有连接梁8，谐振梁5另一端与质量块6连接，质量块6中部设置有耦合梁7，质量块6两侧分别与两个可动电极13固定连接，两个可动电极13外侧均设置有固定电极12，可动电极13与固定电极12组成一对梳齿电极，两个固定电极12两端均与固定电极锚点18固定连接，固定电极锚点18通过s形柔性梁11与外部框架连接，固定电极锚点18两端通过延伸梁4与扭转梁9固定连接。参照图6和图7，图中虚线为加压变形后谐振梁5和扭转梁9的轮廓示意图；当两根谐振梁5之间没有连接梁8时，加载后扭转梁和谐振梁均有变形，且变形量大于两根谐振梁5之间没有连接梁8的情况；当两根谐振梁5之间有连接梁8时，只有扭转梁9有变形，两根谐振梁5没有变形。

参照图5，耦合梁7由两根梁双端连接而成，形成矩形框结构，耦合梁7中部与质量块6中心连接。耦合梁7中部设置有拾振电阻15，拾振电阻15与金属引线14连接。通过耦合梁7对两组h型梁谐振器耦合，并将拾振电阻15放置于耦合梁7上，当处于二阶模态状态(相对振动)时，拾振电阻将循环处于受压/受拉状态，基于压阻效应工作原理，此时谐振器将处于工作状态；当双h梁处于一阶模态时(同侧振动)，耦合梁与拾振梁无变形，基于压阻效应工作原理，传感器将无信号输出，此时传感器不工作。

优选的，耦合梁7相对谐振梁5与质量块6的厚度，只有谐振器整体厚度的10％-100％，有效降低了耦合梁7的等效刚度与等效质量，可用于调节工作基础频率。

优选的，拾振电阻15以谐振器1的耦合梁7中心线为对称轴对称布置，如示意图5所示。

优选的，拾振电阻15通过金属引线14及4个焊盘组成惠斯通半桥电路，金属引线14一端连接拾振电阻15，另一端连接芯片外面的电路。传感器通过焊盘与外界电路实现连通。

优选的，锚点2形状为长条形锚点，实现与谐振器1的连接。调节锚点2的高度可有效调节传感器的灵敏度。

两对固定电极12与可动电极13通过梳齿电容极板形成驱动电极，驱动静电力线性范围大、稳定性高，通过金属引线14实现与外部的连通。固定电极12通过锚点2与压力敏感膜3固定连接，固定电极12与可动电极13为一体化设计，当压力敏感膜3受压变形时，固定电极12和可动电极13随压力敏感膜3一起沿z向移动，减少电极间的相对高度差，从而满足在运动过程中谐振器的静电驱动力基本不受薄膜变形的影响，降低传感器闭环控制难度。

谐振器1通过固定电极锚点18与锚点2键合，锚点2对压力敏感膜3的形变进行放大，通过连接梁8与扭转梁9带动谐振梁5受拉，谐振梁5内部应力状态发生改变，从而引起谐振梁5固有频率发生变化。可采用不同高度的锚点2以及不同厚度的压力敏感膜3进行调节传感器的量程与灵敏度。双h型梁采用全对称设计，其工作模态为两个h型梁相对振动，可有效避免单h梁工作过程中谐振梁5与压力敏感膜3间的能量交换，从而提高传感器品质因子，提高测量精度。

连接两个质量块6的矩形框耦合梁7，实现振动模态耦合；并在耦合梁7上掺杂拾振电阻15，实现压阻拾振功能；耦合梁7上布置有矩形的拾振电阻15，有利于去除其他模态的干扰，提高信噪比；通过背面刻蚀矩形框耦合梁7，降低了耦合梁7的厚度。

工作过程为：当加载压力时，压力敏感膜3受压产生变形，从而带动锚点2运动，敏感膜3与锚点2产生平行于h型梁方向的位移，通过锚点2放大，并通过延伸梁4与扭转梁9传递给谐振梁5，同时延伸梁4与扭转梁9可有效降低谐振梁5的面外位移，通过调节延伸梁4的长度与扭转梁9的厚度可有效调节可动电极13与固定电极12之间的面外位移差，从而降低传感器的控制难度，同时谐振梁5受拉变形而产生谐振频率变化，通过检测耦合梁7上拾振电阻组成的惠斯通半桥输出信号频率的变化，从而得到谐振梁5固有频率的变化，进而感知加载压力的大小，谐振器1的激励与检测信号通过s型柔性梁11实现与外部框架联接。

一种一种双h型受拉梁硅微谐振压力传感器芯片的制备方法，原材料为：谐振器、压力敏感膜均使用双面抛光n型半导体硅片制作，密封盖17与玻璃导压板16均为pyrex玻璃制作，厚度为500μm；参照图8，具体包括以下步骤：

(1)对作为压力敏感膜硅片21进行双面热氧化，在压力敏感膜硅片上下表面各形成一层氧化硅；

(2)在压力敏感膜硅片21上表面的氧化硅上涂光刻胶24，然后光刻使氧化硅层图案化；

(3)将压力敏感膜硅片21去胶并进行湿法刻蚀，形成锚点2；

(4)将步骤3得到的结构进行热氧化，在其表面形成200nm的氧化硅23；

(5)对谐振器硅片22进行双面热氧化，形成掩膜层，并在掩膜层上涂胶，然后进行光刻使sio2图案化，去除耦合梁减薄区域的sio2层；

(6)将谐振器硅片22去胶并进行深反应离子刻蚀(drie)，形成耦合梁减薄区域，然后去除表面掩膜层sio2；

(7)将步骤6得到的结构和步骤4得到的结构进行进行真空熔硅键合；

(8)对谐振器硅片22进行减薄、研磨、化学机械抛光；

(9)对步骤8得到的结构进行化学气相沉积sio2层作为掩膜层，光刻使正面的二氧化硅层图案化，使用反应离子蚀刻(rie)工艺去除正面轻掺杂区域内的二氧化硅层；利用二氧化硅层充当掩膜，然后进行硼离子轻掺杂，形成轻掺杂区25，即拾振电阻，使得该区域方块电阻大小约为220ω/。然后进行再分布的阱推扩散退火过程，以保证拾振拾振电阻的杂质浓度均匀分布；

(10)在步骤9得到的结构上淀积二氧化硅层，然后图案化并去除正面重掺杂区域内淀积的二氧化硅层，其余区域的二氧化硅层充当掩膜；进行硼离子重掺杂使得该区域方块电阻大小约为10ω/，形成轻重杂区26，即低阻值的欧姆接触区，并进行再分布扩散退火过程，使得欧姆接触区的杂质浓度均匀分布，以保证导线与拾振电阻15之间形成稳定的欧姆接触；

(11)谐振器1上端面整个表面采用溅射技术制作出ti/al层，然后利用金属焊盘及导线版刻蚀去除金属引线外其他区域的金属层，形成金属引线14和金属焊盘结构，并在500℃条件下进行30分钟合金化过程；利用化学腐蚀去除sio2掩膜；

(12)在(11)的结构上表面pecvd二氧化硅层，旋涂光刻胶，然后进行光刻，使用rie使二氧化硅层图案化，剩余的二氧化硅层充当drie掩膜层，并去除光刻胶；

(13)进行深反应离子刻蚀(drie)，形成谐振器1整体结构；

(14)在感压膜背面旋涂光刻胶并进行光刻感压膜窗口，采用hf单面腐蚀感压膜窗口，去除暴露的sio2层，然后进行湿法刻蚀至指定厚度(根据传感器量程确定，如20μm～100μm)，形成压力敏感膜3；

(15)利用湿法去除谐振器1表面所有二氧化硅层；

(16)将(15)的结构与密封盖17、以及玻璃导压板16进行真空阳极键合，完成整体封装；

该发明优选实例可达到的技术指标如下：

1)压力量程：0-130kpa

2)测量精度：0.01％fs

3)响应时间：≤100ms

4)过压保护压力：200％fs

5)使用温度范围：-50℃-125℃

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。