一种基于电磁激励电磁检测的硅微谐振式表压传感器芯片
阅读说明：本技术 一种基于电磁激励电磁检测的硅微谐振式表压传感器芯片 (Silicon micro-resonance type gauge pressure sensor chip based on electromagnetic excitation and electromagnetic detection ) 是由 赵立波 邱煜祥 王李 韩香广 李支康 皇咪咪 杨萍 朱楠 王淞立 赵虎 蒋庄德 于 2020-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于电磁激励电磁检测的硅微谐振式表压传感器芯片,包括谐振器、气压敏感膜和检测压力敏感膜。加载压力时,气压敏感膜和检测压力敏感膜受压产生变形,气压通过气压敏感膜和检测压力敏感膜在谐振器两端产生的拉应力和压应力平衡,使得传感器得以测量到表压。气压敏感膜与多晶硅层上表面通过键合形成整体并为谐振器所在空腔提供了真空环境,提高了传感器的品质因子。激振梁、拾振梁和连接梁上沉积有氧化硅层作为绝缘层,激振梁、拾振梁上的氧化硅层上沉积有多晶硅层作为电信号传导层。(The invention discloses a silicon micro-resonance type gauge pressure sensor chip based on electromagnetic excitation and electromagnetic detection. When pressure is loaded, the air pressure sensitive film and the detection pressure sensitive film are pressed to generate deformation, and the air pressure is balanced by tensile stress and compressive stress generated by the air pressure sensitive film and the detection pressure sensitive film at the two ends of the resonator, so that the sensor can measure gauge pressure. The air pressure sensitive film and the upper surface of the polycrystalline silicon layer are bonded to form a whole, a vacuum environment is provided for the cavity where the resonator is located, and the quality factor of the sensor is improved. Silicon oxide layers are deposited on the excitation beam, the vibration pickup beam and the connecting beam to serve as insulating layers, and polycrystalline silicon layers are deposited on the silicon oxide layers on the excitation beam and the vibration pickup beam to serve as electric signal conducting layers.)
技术领域
本发明属于微纳传感器技术领域，具体涉及一种基于电磁激励电磁检测的硅微谐振式表压传感器芯片。
背景技术
硅微谐振式压力传感器因为其高信噪比和可靠的半数字量输出，相较于电容压力传感器和压阻压力传感器，具有更好的精度和稳定性。已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被广泛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。截止目前，这些已被应用的传感器大部分为绝对压力传感器，但在对气压较为敏感的工艺当中，绝对压力传感器的测量结果中同时包含了气压与待测压力，在气压变化较大的环境中降低了测量的精度，因而不能充分的满足生产要求。因此，目前电力、石油、化工、造纸、食品、纺织、冶金等产业对表压传感器有巨大的需求。
相对电磁激励、电磁检测机制，硅微谐振式压力传感器的其他常用激励与检测方式有如下缺点：(1)相对于电磁激励，常用的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)相对于电磁检测，常用的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)常用的静电激励、压阻检测存在结构较为复杂，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。
发明内容
为了解决高精度表压测量问题，本发明提出一种基于电磁激励电磁检测的硅微谐振式表压传感器芯片，在降低制备难度的同时，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，本发明所述的一种基于电磁激励电磁检测的硅微谐振式表压传感器芯片，包括自上而下依次设置的气压敏感膜，多晶硅层，第一氧化硅层，谐振器结构膜，第二氧化硅层和底层结构膜；多晶硅层包括激振梁多晶硅层、拾振梁多晶硅层、激振多晶硅层、拾振多晶硅层、硅岛多晶硅层和片上其他多晶硅层，气压敏感膜和激振多晶硅层、拾振多晶硅层、硅岛多晶硅层以及片上其他多晶硅层键合；气压敏感膜采用玻璃或硅材料制成；谐振器结构膜上设置有谐振器，底层结构膜上设置有检测压力敏感膜。
进一步的，气压敏感膜的厚度为30μm-60μm。
进一步的，底层结构膜上开设有H型空腔，谐振器设置在H型空腔中，谐振器为音叉型谐振器。
进一步的，谐振器包括激振梁、拾振梁和两根连接梁，连接梁一端和激振梁接，另一端和拾振梁连接；激振梁上端面自下至上设置有第一氧化硅层和激振梁多晶硅层，拾振梁上端面自下至上设置有第一氧化硅层和拾振梁多晶硅层，连接梁上沉积有第一氧化硅层，激振梁多晶硅层两端通过激振多晶硅层和激振电极电连接，拾振梁多晶硅层两端通过拾振多晶硅层和拾振电极电连接。
进一步的，激振梁与H型空腔连接处设有激振梁两端倒角，拾振梁与H型空腔连接处设有拾振梁两端倒角。
进一步的，激振梁、拾振梁和两根连接梁围合形成的腔体中设置有硅岛，硅岛下端和H型空腔下端面连接，上端面自下至上依设置有第一氧化硅层和硅岛多晶硅层，硅岛多晶硅层和气压敏感膜键合。
进一步的，硅岛四个侧壁与其所在的腔体内壁的距离均为5μm-15μm。
进一步的，激振梁多晶硅层和拾振梁多晶硅层厚度相同，均为200-500nm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
覆盖在检测压力敏感膜上的玻璃或硅材料既作为气压敏感膜也作为封装层，气压敏感膜在气压作用下变形，通过和多晶硅层键合，能有效地将气压转化为作用在谐振器两端的压应力，检测压力敏感膜在气压和检测压力作用下变形，能有效地转化为作用在谐振器两端的拉应力，由于气压敏感膜和检测压力敏感膜处于同一气压下，气压作用产生的拉应力和压应力相互平衡，传感器只检测到被测压力，从而实现表压测量的功能。同时，玻璃或硅材料作为封装层与激振多晶硅层、拾振多晶硅层、硅岛多晶硅层、片上其他多晶硅层上表面键合后，将气压敏感膜与检测压力敏感膜之间的空腔密封为真空环境，即使谐振器处于真空环境中，减小谐振器振动的阻力，保证传感器具有较高的品质因子。
谐振器谐振频率选择平面内振动模态。振动时运动速度垂直于磁感线，增大输出量，提升了检测精度；同时运动速度垂直于检测压力敏感膜和气压敏感膜的变形方向，避免了谐振器与检测压力敏感膜和气压敏感膜的机械耦合和能量耦合，提升了传感器的品质因子。
进一步的，激振梁与H型空腔连接处由刻蚀工艺自然形成激振梁两端倒角，拾振梁与H型空腔连接处由刻蚀工艺自然形成拾振梁两端倒角，使得第一氧化硅层，激振梁多晶硅层和拾振梁多晶硅层在连接处平缓过度，利于电信号的稳定。
进一步的，通过增大硅岛面积，增加气压敏感膜和硅岛多晶硅层的键合面积。硅岛四个非键合面与谐振器的距离均为5-15μm，设计中在不干涉谐振器振动的前提下，尽量增大硅岛面积，键合面积增加后可提升表压测量的稳定性和灵敏度。
进一步的，多晶硅层用刻蚀与沉积工艺布置，提高了制备工艺与IC工艺的兼容性，有利于大批量生产，降低制造成本。同时使用电磁激励、电磁检测机制，在降低制造难度的同时提高了传感器的稳定性。
本传感器采用的电磁激励、电磁检测的硅微谐振式压力传感器具有高线性度和高灵敏度的特点。电磁激励、电磁检测的方式相较于其他方式，显著的优势还包括具有更简单的结构，降低了工艺难度，且具有更高的输出量。
附图说明
图1为本发明的整体结构爆炸图；
图2为本发明的整体结构轴测图；
图3为图1的半剖图；
图4为图3的局部放大图；
图5为图4在E-E面上的局部剖面图；
图6为加载后谐振梁的变形示意图；
图7为本发明的多晶硅层示意图；
图8为图7中F-F处的剖面图。
附图中：1、气压敏感膜，2、底层结构膜，3、检测压力敏感膜，4、硅岛，5、激振电极，6、拾振电极，7、谐振器，8、激振梁，9、拾振梁，10、连接梁，11、激振梁多晶硅层，12、拾振梁多晶硅层，13、第一氧化硅层，14、激振梁两端倒角，15、激振电流，16、感应电流，17、激振梁振动后轮廓，18、拾振梁振动后轮廓，19、外加磁场，20、片上其他多晶硅层，21、谐振器结构膜，22、第二氧化硅层，23、切槽，24、H型空腔，25、拾振梁两端倒角；26、激振多晶硅层；27、拾振多晶硅层；28、硅岛多晶硅层。
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、图2和图3，基于电磁激励电磁检测的硅微谐振式表压传感器芯片包括自上而下依次为气压敏感膜1，多晶硅层，第一氧化硅层13，谐振器结构膜21、第二氧化硅层22和底层结构膜2，多晶硅层包括激振梁多晶硅层11、拾振梁多晶硅层12、激振多晶硅层26、拾振多晶硅层27、硅岛多晶硅层28和片上其他多晶硅层20，绝缘层包括第一氧化硅层13。
气压敏感膜1采用30μm-60μm的玻璃或硅材料制成，用于感测气压。气压敏感膜1与多晶硅层中的激振多晶硅层26、拾振多晶硅层27、硅岛多晶硅层28和片上其他多晶硅层20采用键合工艺完成传感器的真空封装。激振多晶硅层26和拾振多晶硅层27用于传导经过谐振器的电信号，第一氧化硅层13用于绝缘。谐振器7位于谐振器结构膜21上，检测压力敏感膜3位于底层结构膜2上，且检测压力敏感膜3与气压敏感膜1均为方形膜。第二氧化硅层22可作为牺牲层辅助加工谐振器7下方的空隙。
参照图4和图5，检测压力敏感膜3上方中心位置刻蚀有H型空腔24，H型空腔24中设置有谐振器7。H型空腔24自谐振器结构膜21上表面向下刻蚀形成，在平面上分别以方形气压敏感膜1的对边中线为两对称轴对称分布。谐振器7为音叉型谐振器，包括激振梁8、拾振梁9和连接梁10。激振梁8和拾振梁9等长且相互平行，激振梁8和拾振梁9之间设置有两根连接梁10，两个连接梁10同时垂直于激、拾振梁且关于两梁的中线靠近两梁两端对称分布。
平面上谐振器7两个对称轴分别与H型空腔24的两个对称轴重合，即与气压敏感膜1的两对边中线重合，高度方向上与检测压力敏感膜3的上表面和气压敏感膜1的下表面等距，其余各外表面与空腔内壁均有间隙，以确保工作条件下振动时不被空腔内壁干涉。激振梁8与H型空腔24连接处有激振梁两端倒角14，拾振梁9与H型空腔24连接处有拾振梁两端倒角25。
其中，激振梁8及激振梁两端倒角14、拾振梁9激振梁两端倒角25、以及连接梁10上均沉积有第一氧化硅层13作为绝缘层；激振梁8及激振梁两端倒角14的第一氧化硅层13上沉积有激振梁多晶硅层11，拾振梁9激振梁两端倒角25的第一氧化硅层13上沉积有拾振梁多晶硅层12，第一氧化硅层13作为绝缘层，将导电的激振梁多晶硅层11与下方的激振梁8绝缘，将导电的拾振梁多晶硅层12与下方的拾振梁9绝缘。第一氧化硅层13厚度为200-500nm。激振梁多晶硅层11和拾振梁多晶硅层12厚度相同，且均为200-500nm。
两根连接梁10之间加工后形成矩形的硅岛4，硅岛4位于谐振器激振梁8、拾振梁9和两条连接梁10形成腔体的中心位置，硅岛4在长度方向的两端和两根连接梁10之间的距离相等；在宽度方向上位于激振梁8和拾振梁9正中间。硅岛4下端连接H型空腔24下端面，上端自下而上沉积有第一氧化硅层13和硅岛多晶硅层28，硅岛多晶硅层28和气压敏感膜1键合。
传感器外加磁场19的磁感线方向垂直于谐振器7上表面。
优选的，激振梁8外侧壁(与连接梁10相连一侧的对侧)与H型空腔24同侧内壁的距离和拾振梁9外侧壁(与连接梁10相连一侧的对侧)与H型空腔24同侧内壁的距离相等，且在不干涉谐振器7振动的前提下使距离尽量小于15μm。
优选的，在不干涉谐振器7振动的前提下，使得硅岛4在长度方向上与两连接梁10的距离尽量小于15μm，在宽度方向上与激振梁8、拾振梁9的距离尽量小于15μm，以增大键合面积，增大测量稳定性。
优选的，梁的振动模态选择图6中描述的模态，参照图6所示，即谐振器7只在与检测压力敏感膜3和气压敏感膜1平行的平面内振动的模态。振动时拾振梁9形态如拾振梁振动后轮廓18所示，运动速度垂直于磁感线，利于增大输出量，提升检测精度；同时激振梁8变形时形态如激振梁振动后轮廓17所展示。激振梁8与拾振梁9的运动速度垂直于检测压力敏感膜和气压敏感膜的变形方向，避免了谐振器与膜的机械耦合和能量耦合，提升了传感器的品质因子。
参照图5、图6、图7和图8，连接外界控制电路的两个激振电极5接交变电压，用于产生激振梁8上施加的交变激振电流15，两个拾振电极6接检测电路以检测来自拾振梁9切割磁感线过程中产生的感应电流16。谐振器结构膜21上表面沉积有激振多晶硅层26、拾振多晶硅层27与片上其他多晶硅层20，三者厚度为200nm～500nm，且等厚；激振多晶硅层26和片上其他多晶硅层20之间，以及片上其他多晶硅层20与拾振多晶硅层27之间由切槽23隔开。激振多晶硅层26自激振梁两端倒角14正上方沿激振梁长度方向两端延伸到谐振器结构膜21边缘内侧，末端附着有激振电极5。拾振多晶硅层27自拾振梁两端倒角25正上方沿拾振梁长度方向两端延伸到谐振器结构膜21边缘内侧，末端附着有拾振电极6。
本发明的工作过程为：当加载压力时，气压敏感膜1和检测压力敏感膜3受压产生变形，分别在激振梁和拾振梁长度方向的两端产生压应力和拉应力，气压通过气压敏感膜1和检测压力敏感膜3在谐振器7两端产生的拉应力和压应力平衡后，被测压力在谐振器7两端产生的拉应力使谐振器7的谐振频率发生变化。工作时传感器内施加有恒定磁场，磁感线垂直穿过谐振器7上表面，当在激振电极5之间外加周期性交变电压时，激振梁上的激振梁多晶硅层11因电流通过而受到洛仑兹力，随着电压方向的变化，洛仑兹力方向也随之周期性变化，从而使得激振梁8因受到方向周期性变化的力而产生振动，并通过中间的连接梁10带动拾振梁9以相同频率振动。当拾振梁9振动时，其上的拾振梁多晶硅层12因切割磁力线而在拾振电极6间产生感应电动势，其频率与激振梁所加电压相同。当所加电压频率接近或等于整个谐振梁7选定模态阶数下的固有频率时，谐振梁7将在该模态下共振，使拾振梁9的振幅达到最大，从而使拾振电极6之间的感生电动势的幅值也达到最大。这时通过检测拾振梁9所产生的感生电动势大小即拾振电极6之间的感生电动势，即可达到确定谐振梁的固有频率从而达到检测压力的目的。在选定模态下谐振器的结构设计使其仅在平面内振动，有效避免谐振梁与两敏感膜直接的能量交换，提高了传感器的品质因子。
该发明优选实例可达到的技术指标如下：
1)压力量程：0-2.5MPa
2)测量精度：0.01％FS
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。
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