[发明专利]一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器，其特征在于：包括紧密连接的压力敏感材料层（1）和谐振器结构层（2）；

与谐振器结构层（2）对应的压力敏感材料层（1）一侧面的中部开设有敞口状的空腔（19），空腔（19）两侧内底部分别设有硅岛（9）；与硅岛（9）对应的压力敏感材料层（1）另一侧面的两侧分别设有盲孔状的凹槽，凹槽内底部设有压力敏感薄膜（8）；

所述谐振器结构层（2）的中部设有谐振器（3），谐振器（3）位于所述空腔（19）中部的上方；谐振器结构层（2）的两侧分别开设有窗口，暴露出压力敏感材料层（1）上两侧的空腔（19）；与每侧空腔（19）对应的谐振器结构层（2）上分别均布设有两个引线电极（14）；

所述谐振器（3）包括主谐振梁（4）和位于主谐振梁（4）两侧的对称设置的谐振机构，所述主谐振梁（4）的两端分别位于两侧的空腔（19）上方；两侧谐振机构结构相同，所述谐振机构包括双面梳齿结构、一对侧梁（6）和质量块（12）；所述双面梳齿结构包括两对电极和梳齿杆（5），每对电极由激励电极（10）和检测电极（11）组成，两对电极的激励电极（10）和检测电极（11）分别位于梳齿杆（5）的两侧，且激励电极（10）和梳齿杆（5）之间、检测电极（11）和梳齿杆（5）之间分别呈梳齿配合状态，形成差分电容检测机构；平行与梳齿杆（5）设有质量块（12），梳齿杆（5）的中部连接着质量块（12）一侧的中部；所述侧梁（6）为L型梁，一对侧梁（6）分别位于两只检测电极（11）的外部，且一对侧梁（6）的一端分别连接着质量块（12）另一侧的中部，一对侧梁（6）的另一端分别固定连接着压力敏感材料层（1），使一对侧梁（6）分别形成双端固支梁；质量块（12）另一侧的中部连接着主谐振梁（4）的中部；所述主谐振梁（4）的两端分别通过连接梁（13）连接着两侧硅岛（9）的顶部，一侧硅岛（9）和空腔（19）一侧的压力敏感材料层（1）之间设有温度传感器（15）；所述温度传感器（15）为复合梁式温度传感器；

所述谐振式压力传感器的输入信号由所述激励电极（10）、引线电极（14）分别引入，输出信号由所述检测电极（11）引出。

2.根据权利要求1所述一种多参量协同敏感的谐振式压力传感器，其特征在于：所述复合梁式温度传感器包括悬臂梁（154），悬臂梁（154）的一侧上由下至上依次设有氧化硅层（153）、氮化硅层（152）和铝膜层（151）；所述悬臂梁（154）的另一侧上设有两对压阻模块（156）构成的惠斯通等效电桥，所述惠斯通等效电桥的根部分别设有四个温度传感器电极（157）；所述铝膜层（151）的一端与悬臂梁（154）的一端对齐，铝膜层（151）的另一端紧贴于压阻模块（156）的表面上。

3.根据权利要求1所述一种多参量敏感的谐振式压力传感器的制备方法，其特征在于操作步骤如下：

（1）备片

取一块370µm厚的双面抛光的硅片, 所述硅片为SOI硅片，SOI硅片由压力敏感材料层（1）和谐振器结构层（2）构成，其中，谐振器结构层（2）的厚度为48µm、压力敏感材料层（1）的厚度为320µm；

分别用双氧水和硫酸清洗SOI硅片，使两侧面上分别形成氧化硅层，在两侧面的氧化硅层上分别通过低压化学气相沉积一层氮化硅，所述氧化硅层和氮化硅层形成复合膜层（22），得到备片；

（2）一次光刻

在与压力敏感材料层（1）对应的备片侧面上进行光刻，显影限定与压力敏感薄膜（8）区域对应的复合膜层（22）范围，并利用四氟化碳（CF4）等离子刻蚀去除限定范围内的复合膜层（22）；

（3）开凹槽

以四甲基氢氧化铵（TMAH）各向异性湿法刻蚀的方法对去除了复合膜层（22）的区域进行刻蚀，形成盲孔状的凹槽；并利用氢氟酸清洗，去除SOI硅片两侧面上的复合膜层（22）；

（4）旋涂光刻胶

在SOI硅片的谐振器结构层（2）上旋涂一层光刻胶掩膜（21）；

（5）二次光刻

通过带有图案的掩膜版（23）在光刻胶掩膜（21）上显影暴露出谐振器（3）的结构、悬臂梁（154）和边框（24）；

（6）SF6等离子刻蚀

利用六氟化硫（SF6）等离子刻蚀的方法刻透谐振器结构层（2）和埋氧层（20），并利用氢氟酸清洗，去除谐振器结构层（2）上的光刻胶掩膜（21）；

（7）深层反应离子刻蚀

在谐振器结构层（2）表面沉积一层氧化硅和氮化硅的复合膜，并利用深层反应离子刻蚀（DRIE）方法刻蚀去除谐振器（3）的结构和悬臂梁（154）之间底部、悬臂梁（154）和边框（24）之间底部的复合膜，剩余的复合膜作为各向异性湿法刻蚀的保护膜；

（8）各向异性湿法刻蚀

采用四甲基氢氧化铵（TMAH）各向异性湿法刻蚀方法, 在压力敏感材料层（1）的中部开设敞口状的空腔（19），并在谐振器（3）两侧的空腔（19）内分别形成硅岛（9），使谐振器（3）在两个硅岛（9）之间呈悬空状态；并利用氢氟酸清洗，去除谐振器结构层（2）上剩余的复合膜；在谐振器结构层（2）的边框（24）上掺杂高浓度硼离子得到电极14；

（9）制备电极、压阻和铝膜

在悬臂梁（154）上一侧通过掺杂高浓度硼离子形成温度传感器电极（157）和两对应力敏感的压阻模块（156）；在悬臂梁154上另一侧通过低压化学气相沉积方法形成氧化硅层（153）和氮化硅层（152）作为绝缘介质，并在氧化硅层（153）和氮化硅层（152）上通过电镀形成铝膜层（151）；

（10）硅硅键合

清洗去除加工过程的污染物残留，在谐振器结构层（2）上通过玻璃浆料硅硅键合设置盖帽硅层（17），实现谐振器（3）的真空封装。