[发明专利]基于微机械的电磁激励谐振式压力传感器

说明书

技术领域

本发明属于微机械传感技术领域，涉及一种基于微电子机械技术(MEMS)的电磁激励谐振梁式压力传感器。

背景技术

谐振梁式压力传感器都是包含压力敏感膜和谐振梁两部分，当外界待测压力变化时压力敏感膜会产生应变，将应变传递给谐振器会改变谐振器的刚度，从而改变谐振器的频率，检测谐振器的频率变化即可得到外界待测压力的大小。

利用MEMS技术制作的微结构谐振梁式压力传感器，到目前为止主要采用单晶硅和多晶硅材料制作而成。微机械硅谐振式压力传感器主要用于高精度压力的测量，由于其具有频率输出，而易于进行数字化处理；采用MEMS工艺，可以使传感器实现微型化、集成化、从而易于进行批量生产。

采用单晶硅材料制作压力传感器的谐振梁，多采用谐振梁和压力膜分开制作，最后通过键合技术使其成为一体。其缺点是，键合容易引入键合应力，会降低传感器的稳定性；另外，键合工艺过程较为复杂。

采用多晶硅材料制作压力传感器的谐振梁，多采用表面加工工艺在压力膜表面生长多晶硅进行谐振梁的加工。其缺点是，谐振梁易与压力膜产生机械耦合，并且表面加工工艺过程十分复杂。

另外，当外界环境变化(除气压变化外)，谐振式压力传感器也会产生输出，即产生漂移，从而影响传感器的稳定性。

发明内容

本发明的目的是公开一种基于微机械的电磁激励谐振式压力传感器，以解决现有技术存在的上述问题，提高传感器的性能。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于微机械的电磁激励谐振式压力传感器，其包括锚点(2)、谐振器(3)、压力敏感膜(4)和框架(5)，其中：

在框架(5)内侧壁中部水平设有压力敏感膜(4)，在压力敏感膜(4)的一对角线上，位于压力敏感膜(4)上表面中部设有二个锚点(2)，二锚点(2)上端和相应的框架(5)对角线的端点上端固接有多组谐振器(3)；

多组谐振器(3)首尾相接的直线设置，跨置于与框架(5)、锚点(2)、锚点(2)、框架(5)之间，与压力敏感膜(4)的上述一对角线走向重合；

多组谐振器(3)的驱动端与驱动电路电连接，另一拾振端，输出谐振器的谐振频率，与检测电路电连接。

所述的压力传感器，其所述多组谐振器(3)为三组，结构相同，为二梁或四梁音叉结构，呈H状或双H平行状；谐振器(3)上表面固设有电极，电极一端为驱动端与驱动电路电连接，另一端为拾振端，与检测电路电连接。

所述的压力传感器，其所述四梁音叉结构的谐振器(3)，其上表面固设的电极呈U形，两端位于同一侧。

所述的压力传感器，其所述锚点(2)、压力敏感膜(4)材料为单晶硅；谐振器(3)及框架(5)为带绝缘介质层的浓硼扩散硅(101)；绝缘介质层为氧化硅(102)和氮化硅(103)组成的双层绝缘材料。

一种所述的压力传感器的封装方法，其为金属管壳真空封装法，包括步骤：

a)用环氧胶粘剂在带有管针(14)的管座(10)上粘接磁铁(12)和陶瓷环(13)；

b)在陶瓷环(13)上表面用玻璃焊料焊接或胶粘剂粘接的方法，与电磁激励谐振式压力传感器芯片(11)下表面固接；

c)用金丝球压焊法，用金丝(15)将芯片(11)上的电极与管针(14)连接；

d)用管帽(16)盖上管座(10)上的构件，采用储能焊或环氧粘接剂对相接处进行密封固接；

e)从管帽(16)的尾管处把管帽腔室(17)抽成真空，采用冷压技术把管帽(16)尾管处密封，从而整个传感器芯片(11)就被密封于真空腔(17)中，得成品。

一种所述的压力传感器的封装方法，其为硅盖真空封装法，包括步骤：

a)用环氧胶粘剂在带有管针(14)的管座(10)上粘接磁铁(12)和陶瓷环(13)；

b)在陶瓷环(13)上表面用玻璃焊料焊接或胶粘剂粘接的方法，与电磁激励谐振式压力传感器芯片(11)下表面固接；

c)用金丝球压焊法，用金丝(15)将芯片(11)上的电极与管针(14)连接；

d)用硅盖(18)盖在电磁激励谐振式压力传感器芯片(11)上，在真空腔室中用键合或粘合方法，将硅盖(18)下周缘与框架(5)上表面固接为一体，把谐振器(3)密封于硅盖(18)的密封腔(17)中；

e)再在硅盖(18)的上方盖上无尾管的管帽(16)，管帽(16)罩住管座(10)上的构件，采用储能焊或环氧粘接剂对相接处进行密封固接，即得成品。