一种高灵敏度MEMS谐振式温度传感器芯片制造技术

本发明专利技术涉及一种高灵敏度MEMS谐振式温度传感器芯片，属于MEMS温度传感器技术领域。包括石英玻璃环形基座和石英晶体谐振层；石英晶体谐振层包括菱形力放大谐振器、第一石英臂、第二石英臂、第一锚点和第二锚点；菱形力放大谐振器包括菱形环和双端固支石英音叉；第一锚点、第一石英臂、第二石英臂和第二锚点位于菱形环的短对角线上；双端固支石英音叉位于菱形环的长对角线上。当被测环境温度变化时，石英晶体谐振层因环形基座制约而产生热膨胀变形，在一对石英臂内部产生较大的轴向应力，经菱形环放大作用于双端固支石英音叉；本发明专利技术显著提高了传感器的灵敏度和谐振频率的稳定性，还具有结构简单，抗干扰能力强等优点。

A high sensitivity MEMS resonant temperature sensor chip

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度MEMS谐振式温度传感器芯片
本专利技术属于MEMS温度传感器
，具体涉及一种高灵敏度谐振式MEMS温度传感器芯片。
技术介绍
随着科技的发展，工业生产对温度测量提出了越来越高的要求，例如超精密恒温控制环境，这就要求温度传感器具有较高的灵敏度和良好的抗干扰能力。随着微机械电子系统(Micro-Electro-Mechanical-Systems,MEMS)的快速发展，MEMS谐振式温度传感器不断涌现，这类传感器主要利用温度变化引起谐振器件的固有频率变化的原理制成的，具有体积小、准数字输出、抗干扰能力强等优点。谐振器的材料主要有单晶硅和石英晶体，其中单晶硅材料与MEMS工艺兼容性好，目前其结构形式主要采用具有两种或几种不同热膨胀系数材料的悬臂梁结构，当温度变化时，悬臂梁产生弯曲变形，利用其结构形状改变所引起的谐振频率变化实现温度的测量，这类传感器激励和检测复杂，品质因数较低，另外受结构形式的制约，其灵敏度不高，一般约为几十赫兹每摄氏度。相比而言，石英晶体品质因数高，具有固有的压电效应，利用其制作的谐振器激励简单可靠，目前这类温度传感器主要利用石英晶体的频率温度系数制作，其灵敏度主要取决于石英晶体的切型，一般约为几赫兹每摄氏度，其灵敏度难以通过改变切型进一步提高。
技术实现思路
为了解决现有谐振式温度传感器灵敏度不高的问题，本专利技术提供一种高灵敏度谐振式MEMS温度传感器芯片。一种高灵敏度MEMS谐振式温度传感器芯片，包括石英玻璃环形基座6和石英晶体谐振层7；所述石英晶体谐振层7包括菱形力放大谐振器1、第一石英臂2、第二石英臂3、第一锚点4和第二锚点5；所述第一锚点4和第二锚点5对称设于石英玻璃环形基座6上，所述第一石英臂2的一端连接着第一锚点4，另一端连接着菱形力放大谐振器1的菱形环10的一个角，所述第二石英臂3的一端连接着第二锚点5，另一端连接着菱形力放大谐振器1的菱形环10对称的另一个角；所述第一锚点4、第一石英臂2、第二石英臂3和第二锚点5位于菱形环10的短对角线上；所述菱形力放大谐振器1包括菱形环10和双端固支石英音叉12，所述双端固支石英音叉12包括第一石英梁13和第二石英梁14；所述第一石英梁13和第二石英梁14平行，两端分别通过隔离器11连接着菱形环10，且双端固支石英音叉12位于菱形环10的长对角线上；所述第一石英梁13的顶面和底面分别布有第一电极15和第二电极16，所述第二石英梁14的顶面和底面分别布有第一电极15和第二电极16；所述第一石英梁13上的第一电极15和第二石英梁14上的第一电极15串联，经菱形环10和第二石英臂3引出连接着第二锚点5上的第一压焊块8；所述第一石英梁13上的第二电极16和第二石英梁14上的第二电极16串联，经菱形环10和第二石英臂3引出连接着第二锚点5上的第二压焊块9；温度变化引起的热膨胀变形在第一石英臂2和第二石英臂3中产生较大的轴向应力，经菱形环10放大作用于双端固支石英音叉12两端，增大了一对石英梁内的应力，通过感测第一石英梁13和第二石英梁14的谐振频率的变化实现对温度变化的高灵敏度测量。进一步限定的技术方案如下：所述第一锚点4、第二锚点5和石英玻璃环形基座6通过对准标记17对准并键合连接在一起。所述石英玻璃环形基座6的材料为石英玻璃，热膨胀系数约为5.5×10-7℃-1，厚度为100-200μm。所述石英晶体谐振层7的材料为X切型石英晶体，Z向热膨胀系数为7.1×10-6℃-1，厚度为80～150μm；所述第一石英臂2和第二石英臂3沿石英晶体的Z轴方向，所述双端固支石英音叉12的长度沿石英晶体的Y轴方向。所述第一石英梁13表面、第二石英梁14表面、第一压焊块8表面和第二压焊块9表面均设有铬金(Cr/Au)层电极材料。本专利技术的有益技术效果体现在以下方面：1、本专利技术石英晶体谐振层的两端通过锚点与石英玻璃环形基座接合，二者的热膨胀系数存在较大差异，当待测温度变化时，菱形力放大谐振器两侧的石英臂因热膨胀变形产生较大的轴向应力，可达几十至上百兆帕，该应力作用于菱形力放大谐振器结构，实现了双端固支石英音叉中的轴向应力进一步大幅提升。双端固支石英音叉作为传感器的谐振敏感元件，其内部所受到的轴向应力越大，其谐振频率随温度变化的灵敏度越高，传感器的灵敏度也越高。传统的悬臂梁式硅谐振MEMS温度传感器由于单端固支，温度变化后谐振敏感元件产生弯曲变形，内部的轴向应力难以提高。ANSYS有限元仿真分析结果表明：本专利技术灵敏度相比现有谐振式温度传感器提高了两个数量级，目前谐振式温度传感器的谐振频率随温度变化的灵敏度一般在几赫兹到几十赫兹每摄氏度，本专利技术可将传感器灵敏度提高到几千赫兹每摄氏度，可应用于超精密恒温控制等环境。2、本专利技术中的菱形力放大谐振器一方面可实现应力放大提高灵敏度，另一方面又将谐振敏感元件与传感器锚点隔离，大幅降低了锚点能量损耗，提高了谐振频率的稳定性。另外，菱形力放大谐振器采用石英晶体制作，激励简单可靠，品质因数高，传感器的抗干扰能力好。附图说明图1为本专利技术温度传感器结构示意图；图2为菱形力放大谐振器1局部放大图；图3为双端固支石英音叉12电极布置示意图及谐振模态示意图；图4为石英梁内电场方向示意图；图5为菱形力放大谐振器1实现力放大原理图。上图中序号：菱形力放大谐振器1、第一石英臂2、第二石英臂3、第一锚点4、第二锚点5、石英玻璃环形基座6、石英晶体谐振层7、第一压焊块8、第二压焊块9、菱形环10、隔离器11、双端固支石英音叉12、第一石英梁13、第二石英梁14、第一电极15、第二电极16、对准标记17。具体实施方式下面结合附图，通过实施例对本专利技术作进一步说明。参见图1、图2，一种高灵敏度谐振式MEMS温度传感器芯片，包括石英玻璃环形基座6和石英晶体谐振层7。所述石英晶体谐振层7包括菱形力放大谐振器1、第一石英臂2、第二石英臂3、第一锚点4和第二锚点5。石英晶体谐振层7的第一锚点4、第二锚点5和石英玻璃环形基座6通过对准标记17对准键合连接在一起。石英玻璃环形基座6为中央镂空的矩形结构，两条短边上各开有四个矩形孔作为对准标记17，中央镂空以减少石英玻璃环形基座6与石英晶体谐振层7的干涉，对准标记17用于所述的石英晶体谐振层7键合时准确定位。所述第一石英臂2的一端连接着第一锚点4，另一端连接着菱形力放大谐振器1的菱形环10的一个角，所述第二石英臂3的一端连接着第二锚点5，另一端连接着菱形力放大谐振器1的菱形环10对称的另一个角，且第一锚点4、第一石英臂2、第二石英臂3和第二锚点5位于菱形环10的短对角线上，以便第一石英臂2、第二石英臂3通过热膨胀产生的应力直接作用于菱形力放大谐振器1两端。所述菱形力放大谐振器1包括菱形环10和双端固支石英音叉12，所述双端固支石英音叉12包括第一石英梁13和第二石英梁14；所述第一石英梁13和第二石英梁14平行，两端分别通过隔离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高灵敏度MEMS谐振式温度传感器芯片，其特征在于：包括石英玻璃环形基座(6)和石英晶体谐振层(7)；/n所述石英晶体谐振层(7)包括菱形力放大谐振器(1)、第一石英臂(2)、第二石英臂(3)、第一锚点(4)和第二锚点(5)；所述第一锚点(4)和第二锚点(5)对称设于石英玻璃环形基座(6)上，所述第一石英臂(2)的一端连接着第一锚点(4)，另一端连接着菱形力放大谐振器(1)的菱形环(10)的一个角，所述第二石英臂(3)的一端连接着第二锚点(5)，另一端连接着菱形力放大谐振器(1)的菱形环(10)对称的另一个角；所述第一锚点(4)、第一石英臂(2)、第二石英臂(3)和第二锚点(5)位于菱形环(10)的短对角线上；/n所述菱形力放大谐振器(1)包括菱形环(10)和双端固支石英音叉(12)，所述双端固支石英音叉(12)包括第一石英梁(13)和第二石英梁(14)；所述第一石英梁(13)和第二石英梁(14)平行，两端分别通过隔离器(11)连接着菱形环(10)，且双端固支石英音叉(12)位于菱形环(10)的长对角线上；/n所述第一石英梁(13)的顶面和底面分别布有第一电极(15)和第二电极(16)，所述第二石英梁(14)的顶面和底面分别布有第一电极(15)和第二电极(16)；所述第一石英梁(13)上的第一电极(15)和第二石英梁(14)上的第一电极(15)串联，经菱形环(10)和第二石英臂(3)引出连接着第二锚点(5)上的第一压焊块(8)；所述第一石英梁(13)上的第二电极(16)和第二石英梁(14)上的第二电极(16)串联，经菱形环(10)和第二石英臂(3)引出连接着第二锚点(5)上的第二压焊块(9)；/n温度变化引起的热膨胀变形在第一石英臂(2)和第二石英臂(3)中产生较大的轴向应力，经菱形环(10)放大作用于双端固支石英音叉(12)两端，增大了一对石英梁内的应力，通过感测第一石英梁(13)和第二石英梁(14)的谐振频率的变化实现对温度变化的高灵敏度测量。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度MEMS谐振式温度传感器芯片，其特征在于：包括石英玻璃环形基座(6)和石英晶体谐振层(7)；
所述石英晶体谐振层(7)包括菱形力放大谐振器(1)、第一石英臂(2)、第二石英臂(3)、第一锚点(4)和第二锚点(5)；所述第一锚点(4)和第二锚点(5)对称设于石英玻璃环形基座(6)上，所述第一石英臂(2)的一端连接着第一锚点(4)，另一端连接着菱形力放大谐振器(1)的菱形环(10)的一个角，所述第二石英臂(3)的一端连接着第二锚点(5)，另一端连接着菱形力放大谐振器(1)的菱形环(10)对称的另一个角；所述第一锚点(4)、第一石英臂(2)、第二石英臂(3)和第二锚点(5)位于菱形环(10)的短对角线上；
所述菱形力放大谐振器(1)包括菱形环(10)和双端固支石英音叉(12)，所述双端固支石英音叉(12)包括第一石英梁(13)和第二石英梁(14)；所述第一石英梁(13)和第二石英梁(14)平行，两端分别通过隔离器(11)连接着菱形环(10)，且双端固支石英音叉(12)位于菱形环(10)的长对角线上；
所述第一石英梁(13)的顶面和底面分别布有第一电极(15)和第二电极(16)，所述第二石英梁(14)的顶面和底面分别布有第一电极(15)和第二电极(16)；所述第一石英梁(13)上的第一电极(15)和第二石英梁(14)上的第一电极(15)串联，经菱形环(10)和第二石英臂(3)引出连接着第二锚点(5)上的第一压焊块(8)；所述第一石英梁(13)上的第二电极(16)和第二石英梁(14)...

【专利技术属性】
技术研发人员：程荣俊，宋鹏程，张何洋，黄强先，张连生，李瑞君，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34