一种谐振式压力传感器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种谐振式压力传感器及其制备方法 (Resonant pressure sensor and preparation method thereof ) 是由 王淞立 方续东 蒋庄德 李�杰 高博楠 方子艳 孙昊 赵立波 田边 吴晨 邓武彬 于 2021-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种谐振式压力传感器及其制备方法,压力传感器包括碳化硅谐振器,碳化硅谐振器与压力敏感膜通过锚点相连,碳化硅谐振器包括支撑梁,支撑梁通过柔性梁与外部框架连接,支撑梁与固定电极连接并固定在锚点处,质量块结构通过谐振梁与支撑梁连接,耦合梁通过三角梁与质量块结构连接,耦合梁与可动电极连接,质量块结构与另一可动电极连接,固定电极与可动电极均为梳齿电极,并构成两对梳齿电极对,耦合梁上设置有拾振电阻,并连接有金属电极引线,通过三角梁的设计增大了耦合梁应力集中区域,配合拾振电阻的布置,提升了压力传感器的检测精度,基于第三代半导体材料碳化硅的优良特性,同时获得了高温环境下工作的长期稳定性。(The invention discloses a resonant pressure sensor and a preparation method thereof, the pressure sensor comprises a silicon carbide resonator, the silicon carbide resonator is connected with a pressure sensitive film through an anchor point, the silicon carbide resonator comprises a supporting beam, the supporting beam is connected with an external frame through a flexible beam, the supporting beam is connected with a fixed electrode and fixed at the anchor point, a mass block structure is connected with the supporting beam through a resonant beam, a coupling beam is connected with a mass block structure through a triangular beam, the coupling beam is connected with a movable electrode, the mass block structure is connected with another movable electrode, the fixed electrode and the movable electrode are both comb-tooth electrodes and form two pairs of comb-tooth electrodes, a vibration pickup resistor is arranged on the coupling beam and connected with a metal electrode lead, the stress concentration area of the coupling beam is increased through the design of the triangular beam, and the detection precision of the pressure sensor is improved by matching with the arrangement of the vibration pickup resistor, based on the excellent characteristics of the third generation semiconductor material silicon carbide, the long-term stability of the high-temperature environment is obtained.)
技术领域
本发明属于MEMS
技术领域
，具体涉及一种谐振式压力传感器及其制备方法。背景技术
压力传感器是一种把非电量转换为电信号的器件，在生产测量中的应用十分广泛，常见于各种生产自动化控制领域，对提高设备精度、安全及质量具有重要作用。压力传感器广泛应用于新型战斗机、空天飞行器、巡航导弹、航空母舰、航空航天地面测试系统和无人机监测等重大工程领域。
常见的压力传感器有谐振式压力传感器、电容式压力传感器等。电容式压力传感器主要优点在于输入能量低，动态响应快，环境适应性好。但其压力检测范围有限，非线性较为明显，难以应用于大量程的压力检测。相较于电容式压力传感器，谐振式压力传感器的测量灵敏度高、线性度好，加工较为简单。对于谐振式压力传感器而言，常见的激励方式有静电激励、热激励和电磁激励，同时，其检测方法有压阻检测和电容检测等。热激励通常会与谐振器相接触，损坏谐振器表面，降低检测精度。电磁激励需要外置磁场，难以实现传感器微型化。相较于热激励与电磁激励，静电激励传感器具备体积小、检测精度高、寿命长等优点，常用于梳齿式压力传感器的设计中。在检测方式中，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，而压阻式检测精度高、抗干扰能力强，同时，其输出能力好，信噪比较高。同时常见的压力传感器均采用硅作为其敏感薄膜结构，因此，温度漂移较大，稳定性不足，难以在高温条件下使用。
基于静电激励、压阻检测的谐振式压力传感器需要较高的品质因子，同时，为获得较高的检测精度，其耦合梁与拾振电阻的设计与布置要求也相对较高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种耐高温的碳化硅谐振式压力传感器及其制备方法，提高了谐振式压力传感器的灵敏度和检测精度。
为达到上述目的，一种谐振式压力传感器，包括谐振器，所述谐振器与压力敏感膜通过锚点相连；所述谐振器包括支撑梁，支撑梁与外部框架连接，支撑梁两端分别与第一固定电极和第二固定电极连接，支撑梁通过谐振梁与质量块结构连接，质量块结构一侧通过三角梁与耦合梁一侧连接，耦合梁上连接有拾振梁，所述拾振梁上布置有拾振电阻，耦合梁另一侧与第一可动电极连接，质量块结构另一侧与第二可动电极连接。
进一步的，三角梁通过连接梁与质量块结构连接。
进一步的，拾振梁位于耦合梁的内侧壁上，所述侧壁与三角梁的一端连接。
进一步的，第一固定电极、第二固定电极、第一可动电极、和第二可动电极均为梳齿电极，第一固定电极和第一可动电极构成一对梳齿电极对，第二固定电极和第二可动电极构成另一对梳齿电极对。
进一步的，支撑梁通过多根柔性梁与外部框架连接。
进一步的，谐振器上端设置有密封盖板。
上述的谐振式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：取晶圆片作为基底，作为压力敏感膜衬底层；
步骤2：在压力敏感膜衬底层上、下表面分别形成一层二氧化硅绝缘层；
步骤3：将二氧化硅绝缘层图案化，在压力敏感膜衬底层上刻蚀形成锚点；
步骤4：在步骤3得到的产物表面形成二氧化硅绝缘层；
步骤5：在谐振器片上、下表面形成二氧化硅层；并干法刻蚀形成SiO2掩膜层；
步骤6：在谐振器片上部SiO2掩膜层所覆盖区域形成耦合梁减薄区域；
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得到的结构减薄后抛光；
步骤9：对步骤8得到的结构进行硼离子轻掺杂，形成轻掺杂区，轻掺杂区扩散退火后，形成拾振电阻；
步骤10：对步骤9得到的结构进行硼离子重掺杂，形成欧姆接触区；
步骤11：在步骤10得到的结构的整个上表面制作出Ti/Al层，并电极图案化形成金属电极引线及焊盘；
步骤12：对步骤11得到的结构刻蚀，形成谐振器的支撑梁、谐振梁、第一可动电极、第二可动电极、第一固定电极、第二固定电极、质量块结构、三角梁、耦合梁和拾振梁；
步骤13：在步骤12形成的结构下部刻蚀出腔体，形成压力敏感膜；
步骤14：将步骤13的结构进行封装。
进一步的，步骤1中，晶圆片为碳化硅片；所述步骤5中，谐振器片为碳化硅谐振器片。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益技术效果：
1)本发明所述的谐振式压力传感器，在耦合梁与连接梁之间设置三角梁，其中三角梁与连接梁的连接处为三角梁所形成的三角形的底边，相较于耦合梁与连接梁直接连接，三角梁的存在，促使该处的连接宽度增大，有效增加了耦合梁端部的固定约束条件，有利于将应力集中于拾振电阻处，同时，三角梁与耦合梁的交界面更加靠近于拾振电阻，改变了原有的应力分布，增大了耦合梁拾振电阻处的应力集中效果，配合拾振电阻的布置，将有效提高传感器的压阻效应，增强检测信号输出，进而起到提高传感器的品质因子、灵敏度、检测精度的目的。
2)支撑梁以及柔性梁的设计，起到了增强刚度的作用，因传感器的品质因子与谐振器刚度成正比，从而提高了传感器的品质因子，进而提升了压力传感器的灵敏度与检测精度。
本发明提供的压力传感器的制备方法，采用成熟工艺，制作方法简单、可靠性高、易于批量化生产。
进一步的，采用碳化硅薄膜取代硅薄膜作为压力承载薄膜，降低了谐振式传感器的温度漂移，提高压力传感器的工作温度，增强了传感器的稳定性。
附图说明
图1为一种耐高温的碳化硅谐振式压力传感器整体示意图；
图2为图1的纵剖图；
图3为图1的俯视图；
图4为耦合梁及三角梁的局部放大图；
图5为本发明的制备工艺流程示意图。
附图中：1、谐振器，111、谐振器片，2、锚点，3、支撑梁，4、柔性梁，5、谐振梁，61、第一可动电极，62、第二可动电极，71、第一固定电极，72、第二固定电极，8、质量块结构，9、三角梁，10、耦合梁，11、拾振电阻，112、轻掺杂区，113、欧姆接触区，114、减薄区域，12、金属电极引线，121、SiO2掩膜层，13、压力敏感膜，131、压力敏感膜衬底层，132、二氧化硅绝缘层，14、玻璃导压板，15、密封盖，16、连接梁，17、拾振梁。
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为基于附图所示的方位或位置关系，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参照图1、图2和图3，一种谐振式压力传感器包括自上至下依次设置的密封盖15、谐振器1、锚点2和玻璃导压板14。谐振器1包括压力敏感膜13、支撑梁3、柔性梁4、第一固定电极71、第二固定电极72、质量块结构8、四根谐振梁5、两根耦合梁10、两根三角梁9、连接梁16、连接梁17、第一可动电极61和第二可动电极62。
参照图1和图3，谐振器1与压力敏感膜13通过锚点2相连，谐振器1上设置的支撑梁3通过柔性梁4与外部框架连接，支撑梁3两端与固定电极7连接并固定在锚点2上，质量块结构8通过四根谐振梁5与支撑梁3连接，两个耦合梁10一侧分别两个与三角梁9的小端连接，两个三角梁9的大端均连接至同一个连接梁一侧，连接梁16另一侧与质量块结构8连接；耦合梁10另一侧与第一可动电极61连接。两个三角梁9与连接梁16为一体结构，连接梁16为H形；质量块结构8与第二可动电极62连接，第一固定电极71、第二固定电极72、第一可动电极61和第二可动电极62均为梳齿电极，第一固定电极71和第一可动电极61构成一对梳齿电极对，第二固定电极72和第二可动电极62构成另一对梳齿电极对。
参照图4，每个耦合梁10包括依次首尾相连的四个侧壁，在与三角梁9相接的侧壁内侧中部设置有拾振梁17，拾振梁17上布置有拾振电阻11，拾振电阻11与金属电极引线12相连，金属电极引线12并依次通过三角梁9、连接梁16、谐振梁5、支撑梁3以及柔性梁4而与外部输出焊盘相连，以提供输出信号。
工作时，两对梳齿电极对中可动电极6在交流电作用下，与固定电极7产生往复运动，拾振电阻11产生周期性信号输出，将压力引入玻璃导压板14中，压力敏感膜13感受到压力，并产生形变，通过锚点2带动谐振器1的框架梁3产生位移，同时柔性梁4可有效地增加刚度降低谐振器1的面外位移，框架梁3产生的位移会改变由四根谐振梁5与质量块结构8的刚度，同时谐振梁5受拉变形而产生谐振频率变化，三角梁9将应变集中于拾振梁17上的拾振电阻11处，以增大输出信号，提高信噪比，最终通过检测拾振梁17上的拾振电阻11组成的惠斯通半桥输出信号频率的变化，感知加载的压力的大小。
参照图5，一种耐高温的碳化硅谐振式压力传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、取(100)晶向碳化硅片作为基底，清洗后备片，形成压力敏感膜衬底层131；
步骤2、采用双面干-湿-干场氧化，形成二氧化硅绝缘层
采用干-湿-干场氧化工艺，对压力敏感膜衬底层131进行双面热氧化，在压力敏感膜衬底层131上、下表面分别形成一层致密的二氧化硅绝缘层132；
步骤3、刻蚀二氧化硅、碳化硅形成锚点结构
经过涂胶、显影后，刻蚀压力敏感膜衬底层131上表面的二氧化硅绝缘层132，形成掩膜层，采用干法刻蚀在碳化硅压力敏感膜衬底层131上形成锚点2；
步骤4、对步骤3得到的产物进行二次热氧化，在其表面形成二氧化硅绝缘层；
步骤5、刻蚀SiO2，形成SiO2掩膜层
另取一片(100)晶向碳化硅片作为谐振器片111，采用干-湿-干场氧化法在谐振器片111上、下表面形成二氧化硅层；并采用干法刻蚀，在谐振器片111上表面形成SiO2掩膜层121；
步骤6：干法刻蚀谐振器片111
采用深反应离子刻蚀工艺，在谐振器片111表面形成耦合梁10减薄区域114；
步骤7：真空键合
将步骤6得到的结构和步骤4得到的结构进行真空键合，键合压力40kN，真空度10- 5mbar；
步骤8：采用化学机械抛光工艺，将步骤7得到的结构减薄后，抛光；
步骤9：轻掺杂
在步骤8得到的结构上沉积一层SiO2层，并进行图案化，形成SiO2掩膜层，随后采用硼离子轻掺杂，形成轻掺杂区112；轻掺杂区112在经过扩散退火后，形成杂质浓度均匀分布的拾振电阻11；
步骤10：重掺杂
对步骤9得到的结构沉积一层SiO2层，并进行图案化，形成SiO2掩膜层，随后采用硼离子重掺杂，形成低阻值的欧姆接触区113，在经过扩散退火后，形成杂质浓度均匀分布的欧姆接触区；
步骤11：电极图案化
在步骤10得到的结构上端面整个表面制作出Ti/Al层，并电极图案化形成金属电极引线12及焊盘；
步骤12：深反应离子刻蚀
进行深反应离子刻蚀，刻蚀碳化硅层和二氧化硅层，形成谐振器1的支撑梁3、柔性梁4、谐振梁5、第一可动电极61、第二可动电极62、第一固定电极71、第二固定电极72、质量块结构8、三角梁9、耦合梁10和拾振梁17；
步骤13：干法刻蚀
在步骤12形成的结构下部采用干法刻蚀，形成压力敏感膜13；
步骤14：密封
将步骤13的结构与密封盖15、以及应力玻璃导压板14进行真空阳极键合，完成整体封装。
本发明提出一种谐振式压力传感器的主要技术指标为：
压力范围：0kPa-300kPa；
工作温度：-20℃～800℃；
测量精度：0.02％FS
响应时间：≤100ms
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或者唯一的实施方式，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变换，均为本发明的权利要求所涵盖。