微機(jī)械氮化硅諧振梁式壓力傳感器

微機(jī)械氨化硅諧振梁式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖15 - 13所示。它由包含氮化硅梁諧振器的上硅片和作為壓力膜的單晶硅下硅片組成。二者通過(guò)硅-硅鍵合成一個(gè)整體。氮化硅梁封裝于真空(10^-3Pa，絕壓傳感器)或非真空(差壓傳感器)之中，硅膜另一邊接“待測(cè)壓力源”。膜四周與管座剛性連接，可近似看成四邊固支矩形膜。當(dāng)壓力作用于壓力膜時(shí)， 膜兩端存在壓差， 膜感受均布?jí)毫σ眩瑢l(fā)生形變， 膜內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力。與膜緊貼的梁也會(huì)感受軸向應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力將改變梁的固有諧振頻率。在一定范圍內(nèi)，固有諧振頻率的改變與軸向應(yīng)力以及外加壓力三者之間有很好的線性關(guān)系。因此，通過(guò)檢測(cè)粱的固有諧振頻率，就可達(dá)到壓力檢測(cè)的目的。為了測(cè)定諧振頻率，通常對(duì)梁施加交流激振信號(hào)，使梁做受迫振動(dòng)，并檢測(cè)梁的振動(dòng)信號(hào)(稱為拾振)。諧振式壓力傳感器的激振方式有以下幾種: 靜電激振，.電熱激振、光熱激振、電磁激振，.壓電激振等，相應(yīng)的有靜電(電容)拾振，壓阻拾振，光學(xué)拾振，電磁拾振，壓電拾振等拾振方式。

首先分別在硅片上制作諧振器和硅感壓膜片，然后采用硅-硅鍵合技術(shù)將兩片硅熔焊在一起，形成二維微結(jié)構(gòu)的諧振芯片。最后進(jìn)行真空封裝，完成整個(gè)器件的制作。其主要工藝步驟是先用一塊Si制作氮化硅梁作為上硅片;再一塊Si加工成不同厚度感壓膜作為下硅片，然后采用Si- Si 鍵合技術(shù)使二者 鍵合成為一體。如圖15 - 14所示是整個(gè)壓力傳感器芯片制作的工藝流程圖。

器件采用微機(jī)械加工技術(shù)研制。選取雙面拋光N型(100)單晶硅，電阻率ρ=0.01 Ω·cm厚度d≈300 μm。首先雙面高溫?zé)嵫趸蒘iO₂，再化學(xué)氣相沉積（LPCVD)厚SiN，如圖15-14(a)；磁控濺射Pt電阻薄膜如圖15 - 14（b）蒸發(fā)Au引線如圖15 - 14(c) ；正面反應(yīng)離子刻蝕厚SiN ，背面用KOH 腐蝕液各向異性腐蝕硅至剛好穿透為止，得到硅梁諧振器，如圖15- 14(d)。減薄背面。再采用各向異性腐蝕方法，制作硅杯型感壓膜。將減薄后的梁片與感壓膜片鍵合在一起 ，即做成壓力傳感器芯片，如圖15-14(e)。

為了實(shí)現(xiàn)硅諧振壓力傳感器對(duì)壓力的檢測(cè)，必須引出芯片的激振電極和拾振電極， 諧振梁必須密封在真空環(huán)境中，通過(guò)硅膜與外界接觸來(lái)檢測(cè)壓力。為此專為這種需要真空密封的傳感器設(shè)計(jì)并加工了全金屬管殼。管殼包括兩部分:管座和管帽。管座有8個(gè)管腳 ，能引出激振、拾振電極和溫度補(bǔ)償電極；管腳中間有一個(gè)排氣管。諧振壓力傳感器芯片粘貼在管座上，焊上引線，蓋上管帽，管殼與管帽的外沿采用電子束封接或其他封接法將管殼密封，然后接在無(wú)油真空排氣臺(tái)上抽為真空，可使諧振梁真空腔的真空度達(dá) 10^-4Pa，最后將排氣口冷鉗密封，整管脫離排氣臺(tái)。管座上的小管是用來(lái)導(dǎo)和入氣壓的，氣壓范圍為0~600 kPa。