基于C-SOI的谐振式压力传感器及制作方法

基于c-soi的谐振式压力传感器及制作方法技术领域1.本发明涉及硅谐振压力传感器领域，尤其涉及一种基于c-soi(cavity-soi)的谐振式压力传感器及制作方法。背景技术：2.谐振式硅微机械压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一，适用于对精度和长期稳定性要求严格的航天航空、工业过程控制等精密测量场合。3.硅微机械谐振压力传感器进行的是频率检测，对噪声不敏感，其远距离传输和抗干扰能力强，且半数字化输出无需a/d转换即可与数字电路连接。其特性由谐振器的结构尺寸和材料属性决定，单晶硅具有优异的机械性能，因此精度高、长期稳定性好。此外，谐振式硅微机械压力传感器还具有响应快、频带宽、结构紧凑、功耗低、体积小、重量轻、可批量生产等优点。4.谐振式硅微机械压力传感器主要采用梁膜一体化的设计，谐振器通过锚点固定在压力敏感膜的表面。在受到外界压力时，压力敏感膜产生形变，并将应力传至谐振器，谐振器在应力的作用下改变其固有频率，检测频率的变化即可间接测量压力。这样一方面可以避免外界因素影响到谐振器的频率，提高测量的准确性，另一方面可以实现谐振器的真空封装，提高其q值，使谐振式传感器具有较高的检测分辨率以及较快的系统响应速度。5.由于梁膜结构的谐振式压力传感器本身就具有多层结构，在制作的过程中多使用具有多层结构的soi进行制作。西北工业大学研制的基于soi的梳齿型静电激励/电容检测式硅谐振压力传感器就使用soi衬底层制作压力敏感膜，器件层制作谐振器。合肥工业大学研制的一种静电激励/压阻检测的硅谐振压力传感器同样基于soi的工艺。6.soi的中间氧化层可以被氢氟酸腐蚀，而上下的硅不与氢氟酸反应，从而这一原理可以用于刻蚀谐振梁之后的释放工艺，这也是现有使用soi制作谐振传感器的主要方法。但是这种方式存在一定的缺陷。一方面，soi的制作方法决定了其氧化层厚度是有限制的，相较于谐振器的尺寸较小，在释放的过程中可能会出现粘连失效的现象，另一方面，氢氟酸对氧化硅的腐蚀是各向同性的，在释放谐振梁的过程中会产生侧钻，对谐振器的性能有一定的影响，侧钻的一致性的控制有一定的难度。技术实现要素：7.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于c-soi的谐振式压力传感器及制作方法，在实现压力测量的基础之上，使用预先制作cavity的方法优化释放过程中的粘连和侧钻的问题，提高传感器制作的成品率，减小因为侧钻对谐振器性能的影响。8.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：9.一种基于c-soi的谐振式差压传感器，包括底层的衬底层、中间层的器件层和上层的硅盖板；在衬底层使用硅片刻蚀制作压力敏感膜，在压力敏感膜的表面通过键合和刻蚀制作谐振器，谐振器所在的硅层称为器件层；所述谐振器包括第一谐振器和第二谐振器；所述器件层还包括第一-第八电极；所述谐振器通过硅导线连接至第一-第八电极实现电气连接，第一-第八电极分布在谐振式差压传感器的边框处；衬底层、器件层和硅盖板之间通过金硅共晶键合进行键合。10.进一步地，谐振器和压力敏感膜通过共晶键合实现梁膜一体化结构，在谐振器所处位置预先制作好释放谐振器的腔室，制作步骤不需要谐振器的释放过程。11.本发明还提供一种基于c-soi的谐振式差压传感器的制作方法，包括如下步骤：12.步骤s1：构建采用硅片的谐振式压力传感器的三维模型；13.步骤s2：使用有限元仿真分析谐振式压力传感器的三维模型，解决模态干扰和第一谐振器、第二谐振器的灵敏度匹配问题；14.步骤s3：绘制谐振式压力传感器光刻掩模版；15.步骤s4：利用光刻、刻蚀和热氧化等工艺在硅片的一面刻蚀预埋腔室，另一面刻蚀对准标记；16.步骤s5：采用共晶键合工艺将带有预埋腔室的硅片与另一片硅片进行键合，并使用械化学抛光减薄并抛光，制作预备的c-soi；17.步骤s6：利用光刻、深刻蚀工艺在预备的c-soi上构建压力敏感膜、引线孔、第一谐振器、第二谐振器和第一-第八电极，制作完成谐振式压力传感器的芯片主体；18.步骤s7：利用共晶键合将制作的芯片主体与硅盖板进行真空封装；19.步骤s8：对传感器芯片进行组装。20.进一步地，所述步骤s1包括：21.步骤s1a：对第一谐振器、第二谐振器位于压力敏感膜上不同位置时的灵敏度进行有限元仿真，调整第一谐振器、第二谐振器的位置使得灵敏度互相匹配；22.步骤s1b：对不同压力敏感膜厚度的条件下的谐振式压力传感器灵敏度的变化进行仿真，确定压力敏感膜的厚度；23.步骤s1c：通过对谐振式压力传感器的静压灵敏度的仿真优化谐振式差压传感器结构的对称设计，两谐振器位于压力敏感膜的应力匹配的位置。24.进一步地，所述步骤s2包括,利用有限元仿真软件在谐振式压力传感器的工作量程的范围内对其压力特性进行仿真，便于后续测试结果相互验证。25.进一步地，所述步骤s4包括：26.步骤s4a：采用光刻胶作为掩膜对硅片进行刻蚀，形成预埋腔室；27.步骤s4b：采用光刻胶作为掩膜，对硅片另一面进行对准光刻刻蚀，形成对准标记。28.进一步地，所述步骤s5包括：29.步骤s5a：在制作了预埋腔室的硅片表面溅射金属cr和au，作为共晶键合的中间层；30.步骤s5b：将溅射金属cr和au的硅片和一片光洁的硅片进行共晶键合，形成c-soi；31.步骤s5c：使用机械化学抛光对c-soi进行减薄，使键合的硅片达到预设的厚度；32.步骤s5d：使用机械化学抛光对c-soi进行抛光，使表面粗糙度达到键合要求。33.有益效果：34.本发明通过金硅共晶键合实现c-soi的制作，解决谐振梁释放过程中产生的粘连失效和侧钻的现象，提高传感器制作的成品率，减小因为侧钻对谐振器性能的影响。附图说明35.图1为谐振式差压传感器原型正面与背面示意图；36.图2为h型双端固支梁尺寸示意图；37.图3为soi器件层结构示意图；38.图4为本发明所设计的谐振式差压传感器的三维结构示意图；39.图5为本发明所设计的谐振式差压传感器的组装方式示意图；40.图6为本发明所设计的谐振式差压传感器工艺流程图；41.其中，100-衬底层；110-压力敏感膜；120-电极引线孔；200-器件层；211-第一谐振器；212-第二谐振器；221-第一电极、222-第二电极、223-第三电极、224-第四电极、225-第五电极、226-第六电极、227-第七电极、228-第八电极；300-硅盖板。具体实施方式42.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。43.本发明所设计的硅谐振式压力传感器的谐振器为h型双端固支梁。谐振器分布在压力敏感膜的不同区域，被称为第一谐振器和第二谐振器，其中，位于压力敏感膜边缘区域的称之为第一谐振器，中央的称为第二谐振器。44.当压力敏感膜受到外界的压力产生形变，位于中央的第二谐振器所在的区域为拉应力区。由于受到拉应力的作用，其谐振频率增大。此时，位于边缘的第一谐振器受到的为压应力，其谐振频率变小。通过调整两谐振器的位置，可以使两谐振器受到的拉应力和压应力在绝对值上匹配，进而使谐振频率的改变在绝对值上相等。45.这样双谐振器的匹配设计可以带来两个方面的益处。一是可以使用差分输出增加传感器的灵敏度。两谐振器由于受到不同类型的应力，频率分别增大和减小，利用两谐振器谐振频率的差值可以得到敏感膜受到压力的大小。二是双谐振器的差分可以减小非压力因素带来的误差。谐振器的谐振频率除了受到外界压力的影响，还受到温度，组装应力等其他因素的影响。这些影响会使谐振器的谐振频率产生变化，但是差分输出可以在很大程度上减小这种误差。46.本发明所设计的硅谐振式压力传感器的结构如图1所示。在衬底层100使用硅片刻蚀制作压力敏感膜110，在压力敏感膜110的表面通过键合和刻蚀制作谐振器，谐振器所在的硅层称为器件层200。谐振器的放大图如图2所示。谐振器的长度为1320微米，宽度为20微米，中间连接块的长度为60微米。器件层200的结构如图3所示，主要包括第一谐振器211、第二谐振器212、第一-第八电极221、222、223、224、225、226、227、228。各谐振器通过硅导线连接至电极实现电气连接，电极分布在硅谐振式压力传感器的边框处。谐振式差压传感器的立体结构如图4所示，分为上层的硅盖板300，中间层的器件层200和底层的衬底层100。硅盖板300实现谐振器的真空封装，器件层200制作各谐振器和电极，如图1所示，衬底层100上制作压力敏感膜110和电极引线孔120。图4为结构沿一固定边展开示意图，各层之间通过金硅共晶键合进行键合。47.如图6所示，本发明的基于c-soi的谐振式压力传感器的制作方法包括如下步骤：48.步骤a：准备一片双面抛光的硅片，厚度为300um，清洗干净后溅射一层50nm的铬和一层500nm的金；49.步骤b：在溅射金属的一面，使用光刻胶作为掩膜，图形化金和铬，再刻蚀15um深的槽，作为预埋腔室，之后清洗光刻胶；50.步骤c：准备一片双面抛光的硅片，清洗后和步骤b的硅片进行金硅共晶键合，在键和前需要烘干两片硅片，保证键合面干燥清洁。键合后得到c-soi；51.步骤d：通过减薄和抛光的步骤对步骤c所得到的键合片进行减薄，减薄厚度为260um，减薄后进行抛光，减小表面粗糙度，便于后续工艺的进行；52.步骤e：对减薄后的c-soi双面进行刻蚀。背面刻蚀压力敏感膜和电极引线孔，背面刻蚀使用两步刻蚀，先在表面沉积3um厚度的氧化硅，通过光刻刻蚀的步骤将膜和孔的图案转移到氧化硅上，然后清洗光刻胶。在表面甩一层光刻胶，只图形化孔，对孔进行深刻蚀120um，然后清洗光刻胶，使用图形化的氧化硅作为掩膜，同时刻蚀孔和膜，刻蚀深度180um。正面刻蚀器件层，以光刻胶作为掩膜，刻蚀深度为40um；53.步骤f：依次使用金腐蚀液和铬腐蚀液，将器件层刻蚀结束后暴露出的金属层除去；54.步骤g：准备一片双面抛光的硅片，厚度为300um，清洗后清洗干净后溅射一层50nm的铬和一层500nm的金，使用光刻胶作为掩膜，图形化金和铬，再刻蚀40um深的槽，之后清洗光刻胶，作为盖板；55.步骤h：使用金硅共晶键合将步骤f和步骤g所得到的c-soi和盖板进行键合，得到最终的器件。56.传感器芯片在完成流片之后，还需要对其进行组装，组装要求将芯片使用封装与外界环境进行一定的隔离，同时保证与所测量气压的连通以及电气的连通。因此本发明提供了如图5所示的组装方式，传感器芯片安装在可伐合金底座上，并通过封帽进行密封，封帽通过一个小管连通外界的气体，芯片通过可伐合金底座的针脚与外界进行电气连接。57.至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的谐振式差压传感器的设计与制作有了清楚的认识。58.需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：59.(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；60.(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。61.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。