[发明专利]一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法，传感器芯片包括谐振层和承压膜片，谐振层包括谐振梁和平衡梁，四根谐振梁组成一组H型梁，H型梁共有两组且对称设置，谐振梁端部均固定在平衡梁上，两根平衡梁通过谐振梁的延伸部分与刚性质量块连接，相邻的谐振梁之间设置有质量块，质量块中部设置有耦合梁，耦合梁中部设置有拾振电阻，位于外侧的两个质量块分别与两个可动电极固定连接。当压力施加在承压膜片加载时，谐振梁受压产生形变，导致谐振梁的固有频率发生改变，同时通过固定电极激励谐振梁振动，谐振状态时，耦合梁上拾振电阻分别循环处于受压/受拉状态，基于压阻效应使得拾振电阻值发生变化，从而拾取谐振梁固有频率。

技术领域

本发明属于微纳电子传感器技术领域，具体涉及一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法。

背景技术

硅谐振式压力传感器是目前精度最高的压力传感器，通过检测谐振结构的固有频率来间接测量压力，为准数字输出。其精度主要受结构机械特性的影响，因此抗干扰能力强，性能稳定。除此之外，硅谐振式压力传感器还具有频带宽、结构紧凑、功耗低、体积小、重量轻、可批量生产等优点，一直是各国研究的重点。硅微谐振压力传感器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。

在硅谐振压力传感器研发方面，英国、日本、法国、美国等国家已经取得了一系列的成果。但是目前已经成功商业化且大批量应用的硅微谐振式压力传感器主要有两家公司，分别是英国DRUCK公司与日本横河电机株式会社。英国的DRUCK公司的硅微谐振压力传感器主要是静电激励、压阻检测的方式，其敏感部分主要包括：谐振子、硅岛、压力敏感膜片和四周固定的边框四部分组成。其中谐振子是采用浓硼自停止刻蚀技术得到的，综合精度小于0.01％FS，测量范围10-1300mbar。日本横河电机株式会社的硅微谐振压力传感器则采用电磁激励、电磁检测的工作方式，其谐振层是利用选择性外延生长和牺牲层技术得到，谐振梁位于真空腔内，并嵌入在压力敏感膜片的上表面，综合精度优于0.02％FS，温度系数小于5ppm/K。

硅谐振式传感器的灵敏度与精度是其主要的工作指标，因此在设计过程中，将这两个参数作为优化目标来设计谐振式压力传感器的结构。而目前大多数谐振式压力传感器品质因子较差且不稳定，容易造成驱动力不稳定，从而加大了闭环控制难度。大部分静电激励的谐振式传感器中，在加载后容易造成可动电极面外位移波动，从而加大了闭环控制难度；且在单压力膜片上，难以布置双H型谐振器，品质因子提升受限。

发明内容

本发明提供了一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法，以提高了硅谐振式传感器的检测精度与灵敏度。

为达到上述目的，本发明所述一种双H型受压梁硅微谐振压力传感器芯片，包括谐振层和承压膜片，承压膜片上固定有锚点；谐振层包括谐振梁和平衡梁，四根谐振梁组成一组H型梁，H型梁共有两组且对称设置，谐振梁一端固定在平衡梁上，两根平衡梁通过谐振梁的延伸部分与刚性质量块连接，相邻的谐振梁之间设置有质量块，位于中部的质量块中部设置有耦合梁，耦合梁中部设置有拾振电阻，位于外侧的两个质量块分别与两个可动电极固定连接，两个刚性质量块靠近谐振梁的一端分别与两个固定电极的两端连接，刚性质量块与连接点固定连接，连接点固定在锚点上。

进一步的，固定电极与可动电极均为梳齿电极。

进一步的，刚性质量块上设置有扭转梁，刚性质量块通过扭转梁与连接梁固定连接。

进一步的，耦合梁的厚度为谐振层整体厚度的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，连接梁与谐振梁成30°～80°的夹角。