一种高灵敏度MEMS谐振式温度传感器芯片的制作方法

本发明属于mems温度传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏度谐振式mems温度传感器芯片。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为了解决现有谐振式温度传感器灵敏度不高的问题，本发明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。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1、本发明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：本发明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，本发明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、本发明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为本发明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，通过实施例对本发明作进一步说明。

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，隔离器11可以降低双端固支石英音叉12振动时的能量耗散，沿长对角线布置可提高测量灵敏度。

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。

所述的石英玻璃环形基座6材料为石英玻璃，厚度为100～200μm，该材料具有极低的热膨胀系数(热膨胀系数约为5.5×10^-7℃^-1)，所述的石英晶体谐振层7的材料为x切型石英晶体，厚度为80～150μm，该材料压电特性好、品质因数高，同时热膨胀系数较大；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，这种配置方式可保证传感器的温度灵敏度系数高，同时激振简单、可靠。

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表面均设有电极材料层，所述电极材料层为铬金(cr/au)层，具有较低的欧姆阻抗。

参见图3、图4，在梁弯曲时，一侧材料伸长，另一侧材料缩短，在伸长与缩短之间有一层既不伸长也不缩短的材料层称为中性层；正负电极分别布置在第一石英梁13、第二石英梁14上下表面中性层的两侧，电场方向沿第一石英梁13、第二石英梁14厚度方向，即石英晶体x轴方向；中性层两侧电场方向相反，在压电效应的作用下，第一石英梁13的中性层一侧沿y轴方向伸长，另一侧沿y轴方向缩短，使得石英梁向一侧弯曲，当电场方向改变时，弯曲方向也相反，从而合成弯曲振动模式，振动方向沿石英梁宽度方向，第二石英梁14与第一石英梁13弯曲方向相反，如图3中虚线所示，这种切型和电极配置方式可保证激振电场力和石英梁弯曲时内部应力匹配，使其具有较高的机电耦合系数和激振力，可驱动双端固支石英音叉工作在面内弯曲反相振动模态，保证传感器振动能量损耗小，品质因数高。

参见图5，一种菱形力放大结构，包含4个等长的矩形梁，具有长对角线和短对角线；当力f1作用于菱形环10一条对角线两端时，设力f1与矩形梁的所夹锐角为α，此时另一条对角线上作用力的大小为f2＝f1tanα；当力f1作用在菱形环10短对角线方向上时，此时α＞45°，f2＞f1，菱形环10具有力放大作用，因此石英臂布置在菱形环10短对角线方向，双端固支石英音叉12布置在菱形环10长对角线方向，实现石英臂轴向应力放大的目的，通过提高第一石英梁13、第二石英梁14受到的轴向应力，进而提高谐振频率随温度的变化，提高传感器的灵敏度。

当环境温度由t0变为t时，石英臂由于两端受固支约束，从而因温度变化产生热应力，石英臂中的轴向应力可近似为：

式中：σ1——石英臂中的轴向应力；e1——石英晶体谐振层的弹性模量；ν1——石英晶体谐振层的泊松比；α1——石英晶体谐振层沿z方向的热膨胀系数；e2——石英玻璃环形基座的弹性模量；ν2——石英玻璃环形基座的泊松比；α2——石英玻璃环形基座的热膨胀系数；d——石英玻璃环形基座的厚度；t——石英臂的厚度。

石英臂中的轴向应力经菱形力放大结构后，双端固支石英梁中的轴向应力为：

式中：σ2——双端固支石英梁中的轴向应力；w1——石英臂的有效宽度；w2——双端固支石英梁的有效宽度；α——石英臂与菱形环所夹锐角。

双端固支石英梁的谐振频率与轴向应力间的力频灵敏度系数s可近似为：

式中：l——双端固支石英梁的有效长度；w2——双端固支石英梁的有效宽度。

联合式(1)、(2)(3)可求出由温度变化而引起双端固支石英梁谐振频率变化的灵敏度近似计算公式为：

由公式(4)可知：由温度变化引起的石英臂中的轴向应力σ1越大，石英梁中的轴向应力σ2就越大，由温度变化引起谐振频率变化的灵敏度δf0/δt也越大。本发明引入菱形力放大结构，将石英臂受到的轴向应力进一步放大并作用于第一石英梁13、第二石英梁14，一对石英梁轴向应力进一步放大，进而大幅提高了传感器谐振频率随温度变化的灵敏度，从而实现了高灵敏度温度测量的目的。

本发明的工作原理是：

双端固支石英音叉的谐振频率随温度变化的灵敏度与其受到的轴向应力大小有关，其受到的轴向应力越大，谐振频率随温度变化的灵敏度越高。石英晶体谐振层7通过锚点固定在石英玻璃环形基座6上，由于石英晶体谐振层7和石英玻璃环形基座6材料的热膨胀系数差异，温度变化引起的热膨胀变形在两端固定的石英臂中产生较大的轴向应力，该应力经菱形环10放大后作用于双端固支石英音叉12两端，增大了第一石英梁13、第二石英梁14的轴向应力，大幅提高了一对石英梁谐振频率随温度变化的灵敏度，通过ansys仿真分析，其谐振频率随温度的变化可达几千赫兹每摄氏度，灵敏度显著提高，通过感测石英梁谐振频率的变化实现对温度信号的高灵敏度测量。