一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏微压传感器制造技术

本发明专利技术提出一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏微压传感器。所述传感器通过平板式静电致动器驱动，为获得高信噪比信号采用压阻检测振动幅度，为更好的平衡线性范围和灵敏度将谐振梁的振动幅值比作为最终的输出信号。所述传感器为纯硅结构，可最大程度降低传感器的温度系数，有助于提高精度。两根谐振梁分别处于压力敏感膜的正应力和负应力主导区，以产生差分刚度扰动，二者通过一根细梁实现弱耦合，在待测压力作用下产生模态局域化效应，振动幅值比可发生数倍甚至数十倍变化。两根弱耦合谐振梁由于刚度变化方向相反致使振动幅度一增一减，灵敏度相比振动幅度同向变化的情况可提高至少一倍。本发明专利技术由于采用了简化结构，因此兼具高可靠性。具高可靠性。具高可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏微压传感器


[0001]本专利技术属于MEMS微传感器领域，具体涉及一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器。

技术介绍

[0002]微压力传感器在真空设备、医疗设备以及高速飞行器等领域具有广泛应用。目前成熟的微压传感器主要采用压阻效应和可变电容原理，具有结构简单、低成本等优势，精度在1％FS～0.1％FS左右，可满足一般民用和医疗需求。然而在航空航天、工业控制等对精度和可靠性要求较高的领域，一般采用谐振式压力传感器。谐振式压力传感器普遍采用梁膜复合一体化结构，通过膜片变形将应力传递到谐振器上从而改变谐振频率，通过建立频率与压力的线性关系，实现压力的测量。因此，膜片的刚度是影响传感器灵敏度的关键因素。为实现微压测量，中国科学院王军波团队于2021年在论文“Amicromachined resonant micro
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pressure sensor”中通过减小膜片厚度实现应力放大来提高传感器的灵敏度，并实现了10kPa量程的压力测量。然而，受限于谐振器的自身的尺寸效应(厚度、面积等结构极限)，当进一步减小膜片厚度时，将导致膜片的刚度小于谐振器的刚度从而无法实现进一步的应力放大，因此成为限制微压传感器灵敏度提升的瓶颈问题，难以获得高灵敏度和高分辨力等性能。此外，减小膜片厚度提升灵敏度的技术路线还带来了传感器在大气环境下的过载保护和应力非线性的问题，额外的过载保护装置给传感器的加工和制造带来了较大的挑战。
[0003]近年，基于弱耦合谐振器的模态局域化效应已在质量传感器、加速度计中广泛应用。中国专利技术专利CN201910893549提出了一种基于石英谐振梁和硅膜片复合的弱耦合谐振系统微压传感器，利用第一谐振梁感受应力并施加刚度扰动，而另一谐振梁不感受应力，两者构成模态局域化效应。在一定程度上解决了传感器灵敏度和抗过载的问题。但第一谐振梁仅受负应力作用，频率随压力单向变化，输出幅值仅同向变化，一定程度限制了电路的有效输出范围。因此，仍需采用新压力敏感结构和刚度扰动机制来实现传感器灵敏度进一步的放大，从而满足更小量程的微压传感器性能需求。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，采用的技术方案如下：
[0005]一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，包括硅盖板和SOI层；所述硅盖板包括一个位于其中间的空腔；所述SOI层由器件层、埋氧层和衬底层组成，用于制作压力敏感单元；所述器件层中设置结构与尺寸参数相同的边谐振梁和中谐振梁，二者平行但不共线地放置于位于衬底层的压力敏感膜中间，所述边谐振梁位于负应力为主的区域，所述中谐振梁位于正应力为主的区域，施加压力时两根谐振梁分别产生压缩形变和拉伸形变，两个锚点分别固定所述边谐振梁和中谐振梁且均贯穿器件层和埋氧层；一根细梁连接
在所述边谐振梁和中谐振梁交叠处；
[0006]所述边谐振梁的左右两侧分别设有边谐振梁上驱动电极、边谐振梁下驱动电极，所述中谐振梁的左右两侧分别设有中谐振梁上驱动电极、中谐振梁下驱动电极，用于激励边谐振梁和中谐振梁；所述边谐振梁上驱动电极、边谐振梁下驱动电极和中谐振梁上驱动电极、中谐振梁下驱动电极分别与边谐振梁上驱动电极焊盘、边谐振梁下驱动电极焊盘、中谐振梁上驱动电极焊盘、中谐振梁下驱动电极焊盘相连，所述边谐振梁上驱动电极与中谐振梁下驱动电极的激励电压的交流分量相位差为180
°
或0
°
以使得所述边谐振梁和中谐振梁处于同向或反向振动工作状态；所述边谐振梁具有边谐振梁压阻结构，与边谐振梁压阻结构焊盘相连，所述中谐振梁具有中谐振梁压阻结构，与中谐振梁压阻结构焊盘相连，用于检测振动幅度。
[0007]进一步地，所述一根细梁距离两个锚点的距离相等且为可变量，所述边谐振梁、中谐振梁以及细梁的长度为可变量，所述边谐振梁和中谐振梁径向延长线关于压力敏感膜的水平中心线对称。
[0008]进一步地，所述传感器为硅材料，所述硅材料包括SOI、单晶硅和多晶硅一种或几种的组合。
[0009]进一步地，所述压力敏感膜的膜厚大于边谐振梁和中谐振梁的高度的2倍以上。
[0010]进一步地，所述硅盖板和SOI层利用金硅共晶键合或硅
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硅键合实现真空封装，并在所述空腔上表面沉积吸气剂吸收封装过程中的残余气体和材料释放的气体，为所述边谐振梁和中谐振梁提供真空环境。
[0011]进一步地，所述边谐振梁和中谐振梁为双端固支单梁、H型梁或双端音叉梁。
[0012]进一步地，所述压力敏感膜为正方形、圆形或矩形。
[0013]有益效果：
[0014](1)本专利技术的两根谐振梁分别位于压力敏感膜的正应力主导区和负应力主导区形成差分刚度扰动，在弱耦合作用下二者的振动幅度一增一减，相对振动幅度同增或同减的情况灵敏度至少可增加一倍。
[0015](2)本专利技术可在压力敏感膜厚度大于谐振梁高度的情况下获得高灵敏特性，从根本上解决了大气压力过载和应力非线性问题，由谐振器自身尺寸效应带来的一系列问题得到解决。
[0016](3)本专利技术的两根谐振梁构成的差分结构在一定程度上降低了温度系数，增加了抗干扰能力。
[0017](4)本专利技术采用双端固支单梁等单一结构梁做谐振梁，单根细梁做耦合结构，结构简单，可靠性高。
[0018](5)本专利技术采用平板式静电致动器激励谐振梁，结构简单，可靠性高，能提供初始刚度调节功能，驱动力大，电极排布方式使得可通过激励电压交流量相位差控制同向振动或反向振动。
[0019](6)本专利技术采用压阻检测，结构简单，容易获得高信噪比检测信号。
[0020](7)本专利技术的传感器整体采用纯硅材料，制作简单，成本低，完全兼容MEMS工艺。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的差分刚度扰动模态局域化的工作原理图；
[0022]图2为本专利技术的差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器的三维示意图；其中，100
‑
硅盖板；110
‑
空腔；300
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SOI层；310
‑
器件层；320
‑
埋氧层；330
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衬底层；340
‑
压力敏感膜；400
‑
边谐振梁；500
‑
中谐振梁；600
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细梁；
[0023]图3为本专利技术的SOI层的正视图；其中，310
‑
器件层；340
‑
压力敏感膜；350
‑
锚点；370
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硅导线；390
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电气隔离槽；400
‑
边谐振梁；411
‑
边谐振梁上驱动电极；412
‑
边谐振梁下驱动电极；416
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边谐振梁上驱动电极焊盘；417
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：包括硅盖板和SOI层；所述硅盖板包括一个位于其中间的空腔；所述SOI层由器件层、埋氧层和衬底层组成，用于制作压力敏感单元；所述器件层中设置结构与尺寸参数相同的边谐振梁和中谐振梁，二者平行但不共线地放置于位于衬底层的压力敏感膜中间，所述边谐振梁位于负应力为主的区域，所述中谐振梁位于正应力为主的区域，施加压力时两根谐振梁分别产生压缩形变和拉伸形变，两个锚点分别固定所述边谐振梁和中谐振梁且均贯穿器件层和埋氧层；一根细梁连接在所述边谐振梁和中谐振梁交叠处；所述边谐振梁的左右两侧分别设有边谐振梁上驱动电极、边谐振梁下驱动电极，所述中谐振梁的左右两侧分别设有中谐振梁上驱动电极、中谐振梁下驱动电，用于激励边谐振梁和中谐振梁；所述边谐振梁上驱动电极、边谐振梁下驱动电极和中谐振梁上驱动电极、中谐振梁下驱动电极分别与边谐振梁上驱动电极焊盘、边谐振梁下驱动电极焊盘、中谐振梁上驱动电极焊盘、中谐振梁下驱动电极焊盘相连，所述边谐振梁上驱动电极与中谐振梁下驱动电极的激励电压的交流分量相位差为180
°
或0
°
以使得所述边谐振梁和中谐振梁处于同向或反向振动工作状态；所述边谐振梁具有边谐振梁压阻结构，与边谐振梁压阻结构焊盘相连，所述中谐振梁具有中谐振梁压阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈德勇，谢波，秦佳新，鲁毓岚，尉洁，王军波，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：