微机电谐振式压力敏感结构的制作方法

1.本实用新型涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种微机电谐振式压力敏感结构。


背景技术：

2.微机电系统(mems)是在微电子技术基础上发展起来的，融合了微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。mems是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。
3.mems压力传感器在各类mems器件中较早的实现了产品化。目前市面上的绝大部分mems压力传感器芯片为压阻式和电容式，即将外界压力的变化转换为电阻或电容的变化，再通过相应的电路进行检测。然而压阻式传感器的检测精度受到热噪声的影响，电容式传感器难以避免寄生电容的影响，这两种原理的压力传感器难以满足特别高检测精度应用的需求。
4.为了解决以上的问题，近年来有厂商推出了谐振式压力传感器产品，将压力变化转换为频率信号进行检测，其原理为：首先通过微加工技术在芯片上制作的特定的谐振器结构，该结构能够将外界压力变化转化为结构的弹性悬臂梁刚度变化，进而导致结构的固有谐振频率变化，再通过结构上配置的功能电极，配合锁相环(pll)电路检测出结构当前的谐振频率。其检测精度主要由传感器系统的频率分辨率决定，而通过将敏感结构加工于芯片内接近真空的密封腔体中，提高谐振结构的品质因数，可以实现极高的频率分辨率。即采用此原理的压力传感器，理论上相对压阻和电容检测原理的产品可实现更高的检测精度。此外，频率信号还具备抗干扰，适合长距离传输，可直接采用数字读取的优点。
5.但是，谐振式压力传感器尽管检测精度较高，但由于压力转化至弹性悬臂梁刚度变化的过程中难以避免的引入较大非线性影响测量的准确度，因此需要额外的机制来提高传感器输出的线性度指标。


技术实现要素：

6.在本实用新型的第一方面中，提供了一种能够消除谐振频率变化中的非线性频率变化的微机电谐振式压力敏感结构，包括：
7.具有密封空腔的基体，设置在所述基体的顶部的压敏薄膜，设置在所述密封空腔内、并且中部悬空的弹性悬臂梁，至少一对位于所述弹性悬臂梁两侧并且相对设置的功能电极，至少一对位于所述弹性悬臂梁两侧并且相对设置的补偿电极，以及设置在所述压敏薄膜上、并且自所述压敏薄膜向所述基体的底部方向延伸形成的多个锚点；
8.多个所述锚点包括用于固定所述弹性悬臂梁的两端的一对第一锚点，用于固定所述功能电极且位于所述弹性悬臂梁两侧的至少一对第二锚点，以及用于固定所述补偿电极的至少一对第三锚点；
9.所述功能电极为梳齿电极，所述弹性悬臂梁具有与所述功能电极互相插入的梳齿部；
10.所述第三锚点在所述压敏薄膜受压发生形变时能够随所述第一锚点一同位移，以实现所述补偿电极对所述弹性悬臂梁的自适应补偿。
11.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述弹性悬臂梁、所述功能电极以及所述补偿电极由具备良好的导电性的重掺杂硅材料构成。
12.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述弹性悬臂梁、所述功能电极以及所述补偿电极相互之间电学隔离，并且分别由独立的金属或多晶硅薄膜加工成的导线结构连接至所述基体外侧的金属焊盘。
13.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述弹性悬臂梁与所述密封空腔的中轴线的投影重合。
14.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述密封空腔内设置有两对所述补偿电极，每一个所述补偿电极固定在单个第三锚点上。
15.在第一方面的一种可能的实现方式中，两对所述补偿电极沿着所述弹性悬臂梁的方向分别设置在所述功能电极的两侧。
16.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述基体由底层晶圆、结构层晶圆以及顶层晶圆层叠构成，所述结构层晶圆与所述底层晶圆以及所述顶层晶圆围合形成所述密封空腔；所述压敏薄膜设置在所述顶层晶圆、并且所述锚点通过蚀刻或生长工艺形成在所述压敏薄膜上。
17.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述密封空腔内为真空环境。
18.本实用新型所提供的微机电谐振式压力敏感结构具有以下有益效果：能够通过补偿电极抵消弹性悬臂梁的谐振频率变化中的非线性频率变化的部分，从而提高测量的准确性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本实用新型提供的一种微机电谐振式压力敏感结构的俯视图；
21.图2是本实用新型提供的一种微机电谐振式压力敏感结构的剖视图；
22.图3是本实用新型提供的一种上述的微机电谐振式压力敏感结构的压力测量方法。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
24.在本实用新型的第一实施方式中，提供了一种微机电谐振式压力敏感结构 100，如图1所示，包括：
25.具有密封空腔11的基体10，设置在所述基体10的顶部的压敏薄膜，设置在所述密封空腔11内、并且中部悬空的弹性悬臂梁20，多对位于所述弹性悬臂梁20两侧并且相对设置的功能电极30，至少一对位于所述弹性悬臂梁20两侧并且相对设置的补偿电极31，以及设置在所述压敏薄膜上、并且自所述压敏薄膜向所述基体10的底部方向延伸形成的多个锚点。
26.具体地，基体10构成了微机电谐振式压力敏感结构100的外壳，并且该基体10是中空结构，用于容纳各个部件。用于感应压力的压敏薄膜12设置在基体10的顶部，当微机电谐振式压力敏感结构100受到外部的压力时，该压敏薄膜12将压力传导给其他的各个部件并开始测量。优选地，压敏薄膜12设置的方向朝向施加压力的方向。用于测量压力的弹性悬臂梁20悬挂在上述基体10 的密封空腔11内，其两端通过锚点固定在上述压敏薄膜12上，中间的悬空部悬挂在上述基体10的密封空腔11内并能够活动。
27.具体地，基体10内的密封空腔11还设置有至少一对相对设置在弹性悬臂梁20两侧的功能电极30，以及至少一对相对设置在弹性悬臂梁20两侧的补偿电极31，优选地，功能电极30与补偿电极31都设置在弹性悬臂梁20的悬空部两侧。进一步地，功能电极30用于驱动弹性悬臂梁20进入谐振状态同时检测其谐振频率，功能电极30包含固定端和可动端，固定端位于锚点上，可动端朝向上述弹性悬臂梁20。另外，压敏薄膜12受到外界压力时，上述弹性悬臂梁 20的谐振频率变化的部分分为线性频率变化以及非线性频率变化，器件工作的时候，在补偿电极31两端施加不同的电压，电极间产生静电力，由于静电弹簧软化或硬化效应，谐振结构的谐振频率会随补偿电极31上电压的变化发生改变，该频率随电压的变化率与补偿电极31作用在梳齿部221上的静电力相关，该静电力与补偿电极31的电容相关，最终抵消上述非线性频率变化，只保留用于测量的线性频率变化的部分。与功能电极30类似，补偿电极31包含固定端和可动端，固定端位于锚点上，可动端朝向上述弹性悬臂梁20。
28.具体地，多个所述锚点包括用于固定所述弹性悬臂梁20的两端的一对第一锚点41，用于固定所述功能电极30且位于所述弹性悬臂梁20两侧的一对第二锚点42，以及用于固定所述补偿电极的至少一对第三锚点43。
29.所述功能电极30为梳齿电极，所述弹性悬臂梁20具有与所述功能电极30 互相插入的梳齿部221。
30.具体地，微机电谐振式压力敏感结构100具有多对功能电极30，该多对功能电极30位于一对第二锚点42上，并且位于弹性悬臂梁20同侧的多个功能电极30相互间隔设置形成有多个间隙。另一方面，弹性悬臂梁20的悬空部朝向第二锚点242方向的两侧延伸形成有多个梳齿部221，多个梳齿部221分别伸入对应的上述间隙。具体地，由于在弹性悬臂梁20的悬空部上引入了多个梳齿部 221，并且上述梳齿部221伸入功能电极30之间形成的间隙，因此加大了弹性悬臂梁20与功能电极30之间的作用面积，进而提高微机电谐振式压力敏感结构
100的灵敏度。
31.所述第三锚点在所述压敏薄膜受压发生形变时随所述第一锚点一同位移，以实现所述补偿电极对所述弹性悬臂梁的自适应补偿。具体地，第三锚点43在压敏薄膜12受压发生形变时随第一锚点41一同位移，与弹性悬臂梁20相连的第一锚点41发生位移后，对弹性悬臂梁20施加应力，引起弹性悬臂梁20刚度变化，进而可动结构(即悬空部)的谐振频率发生改变，其中包括了对测量造成负面影响的非线性频率变化的部分；同时，补偿电极31的固定端随第三锚点 43一起运动，并且可动端随弹性悬臂梁20一起运动，补偿电极31间相对运动位移的幅度和方向受实际的结构设计的影响，即补偿电极31电容随外加压力的变化率受结构设计影响，即可通过结构设计来调节器件工作时，补偿电极31间的静电力产生的静电弹簧软化或硬化效应，导致弹性悬臂梁20的结构谐振频率的改变。在合理的结构设计下，可使外界压力变化通过压敏薄膜12和锚点传导而引起的弹性悬臂梁20的刚度变化，从而导致的弹性悬臂梁20可动的悬空部的谐振频率变化中的非线性频率变化的部分被补偿电极31随外界压力变化而引起的静电弹簧软化或硬化效应的改变而抵消，最终降低了微机电谐振式压力敏感结构100输出的频率信号的非线性频率变化。在一个具体的实施例中，所述弹性悬臂梁20与所述密封空腔11的中轴线的投影重合。
32.具体地，为了最大程度地提高微机电谐振式压力敏感结构100对压力的灵敏度，弹性悬臂梁20设置在与密封空腔11的中轴线的投影重合的部分，从俯视角度观察，弹性悬臂梁20位于密封空腔11的中部，进而能够均匀地接收来自压敏薄膜12受压而产生的形变，并且提高测量的准确度。
33.在一个具体的实施例中，所述弹性悬臂梁20、所述功能电极30以及所述补偿电极31由具备良好的导电性的重掺杂硅材料构成。
34.具体地，弹性悬臂梁20、功能电极30以及补偿电极31需要具有良好的导电性，才可以导通电流进而生成电场，并驱动弹性悬臂梁20进入谐振状态最终实现测量压力，因此弹性悬臂梁20、功能电极30以及补偿电极31由具备良好的导电性的重掺杂硅材料构成，进一步地，重掺杂硅材料可以根据掺杂成分来调整导电性，使得上述结构在不同应用场景下提高灵敏度。
35.在一个具体的实施例中，所述弹性悬臂梁20、所述功能电极30以及所述补偿电极31相互之间电学隔离，并且分别由独立的金属或多晶硅薄膜加工成的导线结构连接至所述基体10外侧的金属焊盘。
36.为了避免弹性悬臂梁20、功能电极30以及补偿电极31之间电气导通从而导致漏电以及短路等情况，因此需要在弹性悬臂梁20、功能电极30以及补偿电极31之间施加电气隔离，具体可以通过在弹性悬臂梁20、功能电极30以及补偿电极31中的一个或者多个上施加例如二氧化硅层等绝缘材料层以保证上述结构之间互相绝缘。进一步地，为了使弹性悬臂梁20、功能电极30以及补偿电极 31与外部电气设备导通，分别由独立的金属或多晶硅薄膜加工成的导线结构连接至基体10外侧的金属焊盘，上述金属或多晶硅薄膜可以用生长或者蚀刻工艺进行制作。
37.在一个具体的实施例中，所述密封空腔11内设置有两对所述补偿电极31，每一个所述补偿电极31固定在单个第三锚点43上。
38.具体地，为了提高补偿电极31对弹性悬臂梁20的调节效果，补偿电极31 可以按照
需要设置在指定的位置，因此，单个补偿电极31可以固定在单个第三锚点43上，即是可以具有多个第三锚点43以及设置在其上的补偿电极31，例如图1所示，微机电谐振式压力敏感结构100具有4个第三锚点43，对应地具有4个补偿电极31，并且第三锚点43以及补偿电极31的数量可以根据需求自由设置。
39.在一个具体的实施例中，两对所述补偿电极31沿着所述弹性悬臂梁20的方向分别设置在所述功能电极30的两侧。
40.具体地，为了使补偿电极31对弹性悬臂梁20较为均匀地调节，在一个优选的实施方式中，设置有两对补偿电极31，并且沿着弹性悬臂梁20的方向分别设置在功能电极30的两侧，即在弹性悬臂梁20设置的轴向方向上，功能电极 30的左边和右边各设置有一个补偿电极31，从而达到对弹性悬臂梁20的悬空部进行完整的补偿，最终进一步降低弹性悬臂梁20的非线性谐振频率变化。
41.在一个具体的实施例中，所述基体10由底层晶圆103、结构层晶圆102以及顶层晶圆101层叠构成，所述结构层晶圆102与所述底层晶圆103以及所述顶层晶圆101围合形成所述密封空腔11；所述压敏薄膜12设置在所述顶层晶圆 101、并且所述锚点通过蚀刻或生长工艺形成在所述压敏薄膜12上。
42.具体地，mems元件多使用半导体制造工艺而进行制造，对于本实施例，构成微机电谐振式压力敏感结构100的基体10是由底层晶圆103、结构层晶圆 102以及顶层晶圆101三层晶圆层叠构成，并围合成为上述密封空腔11。进一步地，上述压敏薄膜12设置在顶层晶圆101，并且各个锚点通过蚀刻或生长工艺形成在所述压敏薄膜12上，另一方面，弹性悬臂梁20、功能电极30以及补偿电极31形成于结构层晶圆102。各层晶圆之间通过键合粘附层进行键合，并且在结构层晶圆102形成的弹性悬臂梁20、功能电极30、补偿电极31与在顶层晶圆101上形成的锚点也通过键合粘附层进行键合。
43.在一个具体的实施例中，所述密封空腔11内为真空环境。
44.具体地，在形成上述密封空腔11时，通过将密封空腔11的内部抽真空，以最大程度地减小弹性悬臂梁20的悬空部在上述密封空腔11内振动时的阻力，从而提高弹性悬臂梁20的谐振频率的灵敏度，最终提高微机电谐振式压力敏感结构100对于压力的灵敏度。
45.在本实用新型的第三实施方式中，提供了一种用于上述实施方式所提供的微机电谐振式压力敏感结构100的压力测量方法，包括以下步骤：
46.s1：通过外部电路，在弹性悬臂梁20和功能电极30之间施加激励电信号，使所述弹性悬臂梁20以固有谐振频率往复振动，并通过所述外部电路实时监测所述固有谐振频率。
47.具体地，通过外部电路向弹性悬臂梁20和功能电极30施加预设强度以及相位的电压，使得弹性悬臂梁20进入谐振状态，并且以固有谐振频率往复振动，并通过外部电路由功能电极30实时监测所述固有谐振频率。
48.s2：在所述弹性悬臂梁20和所述补偿电极31之间施加补偿电信号，使所述弹性悬臂梁20和补偿电极31之间产生静电力，并通过相应的静电弹簧硬化和软化效应影响所述弹性梁20往复振动的频率；
49.s3：当压敏薄膜12受到外界压力而发生形变时，所述弹性悬臂梁20的刚度和所述固有谐振频率发生改变，并且所述弹性悬臂梁20与所述补偿电极31 的间距同时发生改变；
50.具体地，在压敏薄膜12受压发生形变时，与弹性悬臂梁20相连的第一锚点41发生
位移后，对弹性悬臂梁20施加应力，引起弹性悬臂梁20刚度变化，进而可动结构(即悬空部)的固有谐振频率发生改变，其中包括了用于测量压力大小的线性变化部分以及对测量造成负面影响的非线性变化部分，此时根据外部电路测量到的固有谐振频率的变化，计算其非线性变化部分，上述固有谐振频率的变化与非线性变化部分可以通过对弹性悬臂梁的固有性质进行测试，得到非线性变化部分在固有谐振频率的变化中的占比。
51.s4：根据预设的所述补偿电极设计，所述间距导致的所述弹性悬臂梁与所述补偿电极之间的静电力变化、进而导致静电弹簧硬化和软化效应程度变化、最终导致所述弹性悬臂梁的往复振动的频率改变，并且与所述外界压力所引起的所述弹性悬臂梁的所述固有谐振频率的改变中的非线性部分相抵消；具体地，根据预先标定的非线性频率变化与补偿电极31施加的静电力的关系曲线，由补偿电极31在弹性悬臂梁20上施加静电力，通过静电弹簧硬化和软化效应对对其固有谐振频率进行补偿，以抵消上述非线性变化部分。
52.s5：测量补偿后的所述弹性悬臂梁20的所述固有谐振频率的变化，并根据所述固有谐振频率变化计算出所述压敏薄膜12所受到的压力。
53.最终，由于固有谐振频率中的非线性变化部分已经被抵消，则测量剩余的线性频率变化，并根据预先标定好的固有振动频率变化-压力曲线计算出上述压敏薄膜12所受到的压力。
54.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简介，未对上述实施例中的各个技术特征所以可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，可应当认为是本说明书记载的范围。最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
55.以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种微机电谐振式压力敏感结构，其特征在于，包括：具有密封空腔的基体，设置在所述基体的顶部的压敏薄膜，设置在所述密封空腔内、并且中部悬空的弹性悬臂梁，至少一对位于所述弹性悬臂梁两侧并且相对设置的功能电极，至少一对位于所述弹性悬臂梁两侧并且相对设置的补偿电极，以及设置在所述压敏薄膜上、并且自所述压敏薄膜向所述基体的底部方向延伸形成的多个锚点；多个所述锚点包括用于固定所述弹性悬臂梁的两端的一对第一锚点，用于固定所述功能电极且位于所述弹性悬臂梁两侧的至少一对第二锚点，以及用于固定所述补偿电极的至少一对第三锚点；所述功能电极为梳齿电极，所述弹性悬臂梁具有与所述功能电极互相插入的梳齿部；所述第三锚点在所述压敏薄膜受压发生形变时能够随所述第一锚点一同位移，以实现所述补偿电极对所述弹性悬臂梁的自适应补偿。2.根据权利要求1所述的微机电谐振式压力敏感结构，其特征在于，所述弹性悬臂梁、所述功能电极以及所述补偿电极相互之间电学隔离，并且分别由独立的金属或多晶硅薄膜加工成的导线结构连接至所述基体外侧的金属焊盘。3.根据权利要求1所述的微机电谐振式压力敏感结构，其特征在于：所述弹性悬臂梁与所述密封空腔的中轴线的投影重合。4.根据权利要求1所述的微机电谐振式压力敏感结构，其特征在于：所述密封空腔内设置有两对所述补偿电极，每一个所述补偿电极固定在单个第三锚点上。5.根据权利要求4所述的微机电谐振式压力敏感结构，其特征在于：两对所述补偿电极沿着所述弹性悬臂梁的方向分别设置在所述功能电极的两侧。6.根据权利要求1所述的微机电谐振式压力敏感结构，其特征在于：所述基体由底层晶圆、结构层晶圆以及顶层晶圆层叠构成，所述结构层晶圆与所述底层晶圆以及所述顶层晶圆围合形成所述密封空腔；所述压敏薄膜设置在所述顶层晶圆、并且所述锚点通过蚀刻或生长工艺形成在所述压敏薄膜上。7.根据权利要求6所述的微机电谐振式压力敏感结构，其特征在于：所述密封空腔内为真空环境。

技术总结
本实用新型提供了一种能够消除谐振频率变化中的非线性频率变化的微机电谐振式压力敏感结构，包括：具有密封空腔的基体，设置在基体的顶部的压敏薄膜，设置在密封空腔内、并且中部悬空的弹性悬臂梁，至少一对相对设置在弹性悬臂梁两侧的功能电极，至少一对相对设置在弹性悬臂梁两侧的补偿电极，以及设置在所述压敏薄膜上、并且自所述压敏薄膜向所述基体的底部方向延伸形成的多个锚点；固定补偿电极的锚点在压敏薄膜受压发生形变时随固定弹性悬臂梁的锚点一同位移。本实用新型提供的微机电谐振式压力敏感结构能够在压敏薄膜受压发生形变时，通过锚点传递形变至弹性悬臂梁并消除其谐振频率变化中的非线性频率变化的部分，从而提高测量的准确性。提高测量的准确性。提高测量的准确性。


技术研发人员：郭梅寒 余伦宙 刘洪喜
受保护的技术使用者：慧石（上海）测控科技有限公司
技术研发日：2021.05.07
技术公布日：2022/5/25