SOI基高精度微機(jī)械諧振式壓力傳感器技術(shù)研究.pdf

1、基于 MEMS技術(shù)的硅微機(jī)械諧振壓力傳感器是目前精度最高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性最好的壓力傳感器之一，具有體積小、重量輕、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出、溫度響應(yīng)快、抗沖擊、抗干擾能力強(qiáng)、易于集成化和利于批量生產(chǎn)等眾多優(yōu)點(diǎn)。硅微機(jī)械諧振壓力傳感器非常適合于對(duì)精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性有著嚴(yán)格要求的航空航天、工業(yè)過(guò)程控制和其它精密測(cè)量場(chǎng)合，在軍事和民用領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用和巨大的市場(chǎng)。
　　本文提出了一種常壓封裝的硅微機(jī)械諧振壓力傳感器，系統(tǒng)研究了硅

2、微機(jī)械諧振壓力傳感器的基礎(chǔ)理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及加工工藝等關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)制作的傳感器樣件進(jìn)行了性能測(cè)試。論文的主要研究工作可概括如下：
　　對(duì)諧振器受到的各種阻尼進(jìn)行了深入研究，給出了Q值的預(yù)測(cè)公式，并優(yōu)化了釋放孔設(shè)計(jì)。推導(dǎo)了諧振器的固有頻率和靈敏度，分析了軸向應(yīng)力與諧振器滿(mǎn)量程頻率變化量、二次多項(xiàng)式擬合非線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)確定了諧振梁非線性變形和靜電力非線性成分對(duì)諧振器固有頻率的影響。對(duì)諧振器二階系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)比了其振動(dòng)

3、位移、速度和加速度的頻率特性曲線。研究了壓力敏感膜片的力學(xué)行為，進(jìn)而得到了支撐柱的最佳布置位置。
　　設(shè)計(jì)了一種雙端固支梳齒與中間耦合梁結(jié)合的力敏諧振器結(jié)構(gòu)，采用靜電激勵(lì)/電容檢測(cè)的工作方式，面內(nèi)動(dòng)平衡的振動(dòng)模式，保證應(yīng)力靈敏度和驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)大幅提高了諧振器的Q值。其工作模態(tài)與壓力敏感膜片的受壓變形方向互相垂直且具有足夠大的頻率間隔，可以有效減小諧振器向壓力敏感膜片的能量傳遞，諧振器振動(dòng)更加穩(wěn)定可靠。試驗(yàn)結(jié)果表明，常溫常壓下其Q

4、值大于1200，5 Pa真空下Q值大于50000。而在溫度為-20℃~60℃、外界待測(cè)壓力為絕壓1 kPa~300 kPa的范圍內(nèi)，常壓封裝硅微機(jī)械諧振壓力傳感器的諧振器Q值為999~1679，并且傳感器基本不受同振質(zhì)量的影響，介質(zhì)敏感度非常低。
　　為了抑制壓力敏感膜片受壓變形時(shí)諧振器的高度變化，提出了一種基于懸置扭轉(zhuǎn)梁的諧振器固定端結(jié)構(gòu)。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明，壓力敏感膜片受壓變形時(shí)，與懸置扭轉(zhuǎn)梁相連的諧振器最大高度變化僅為常規(guī)諧

5、振器固定端結(jié)構(gòu)的7.3％，保證了傳感器驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)的穩(wěn)定性，降低了閉環(huán)控制的難度。同時(shí)基于懸置扭轉(zhuǎn)梁的諧振器固定端結(jié)構(gòu)采用4個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的支撐柱，機(jī)械強(qiáng)度更高，壓力敏感膜片受壓變形時(shí)力的傳遞也更加穩(wěn)定可靠。并且在基于懸置扭轉(zhuǎn)梁的諧振器固定端結(jié)構(gòu)中，支撐柱布置于諧振梁之間的空隙，傳感器的芯片結(jié)構(gòu)更加緊湊，版圖面積利用率更高，體積更小。
　　針對(duì)傳感器檢測(cè)信號(hào)微弱和同頻干擾嚴(yán)重的特點(diǎn)，在芯體及接口電路設(shè)計(jì)中采用了提高諧振器Q值、添加屏蔽電

6、極、降低交流驅(qū)動(dòng)電壓幅值、差動(dòng)電容檢測(cè)和高頻載波調(diào)制解調(diào)方案等多項(xiàng)措施，有效抑制了同頻干擾和漏電流，減小了基礎(chǔ)檢測(cè)電容和各種共模干擾信號(hào)的影響，提高了傳感器微弱電容檢測(cè)信號(hào)的信噪比。
　　開(kāi)發(fā)了基于SOI的硅微機(jī)械諧振壓力傳感器加工工藝，對(duì)材料選擇、各向異性濕法腐蝕、SOI的DRIE、圖形化SOI的劃片、SOI結(jié)構(gòu)的濕法釋放、基于SOI的陽(yáng)極鍵合和芯體器件級(jí)常壓封裝等關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并進(jìn)行了芯體版圖設(shè)計(jì)和工藝誤差分析。

7、該加工工藝僅需要兩層掩膜版，簡(jiǎn)單可靠，所需設(shè)備少，制作周期短，成品率高，一致性好，可以滿(mǎn)足一般硅微機(jī)械諧振壓力傳感器快速芯體原型的制作需要。
　　對(duì)制作的常壓封裝硅微機(jī)械諧振壓力傳感器樣件進(jìn)行了開(kāi)環(huán)測(cè)試和閉環(huán)集成測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，其基礎(chǔ)諧振頻率在34.5 kHz至35.5 kHz之間。在絕壓3.5 kPa~280 kPa的壓力范圍內(nèi)，其壓力靈敏度為10.86 Hz/kPa，滿(mǎn)量程頻率變化量為8.27%。當(dāng)采用二次多項(xiàng)式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬