基于SOI的硅微谐振式压力传感器芯片制作

　　基于MEMS 技术的硅谐振式压力传感器具有体积小、重量轻、功耗低、动态响应快以及抗干扰能力强，稳定性高等诸多优点，更重要的是，其直接输出频率量，测量精确度更高，测试电路简单，比硅基压阻式和电容式传感器有更为优良的性能指标，同时便于与IC 集成化，获得高精度的智能化测控系统，对于人造卫星、飞机的导航和飞行控制系统以及飞行器本身的微型化有着举足轻重的推动作用[1]，因此谐振式压力传感器在航空航天技术特别是机载大气数据系统、飞行参数记录仪等航空设备的应用有着广阔的应用前景。

　　国外对硅基MEMS 谐振式压力传感器进行了较早研究[2-3]。英国Greenwood 等人利用浓硼自停止技术的各向异性腐蚀[4]，制作了扭转振动的谐振式传感器，并且利用静电激振、拾振的方式，制作了高精密的气压计，但是其应用局限在传统的领域，并且其容易被周围的环境如流体等原因造成能量损失，谐振困难[5]，而且浓硼扩散引入很高的内应力[6]; 1988 年，日本IKEDA 等人提出了利用外延生长和牺牲层技术制作内置于真空腔中的谐振梁技术[7]，然而由于牺牲层厚度的限制，谐振子的谐振范围受到一定的限制;90 年代以后，英国Angelidis 等人[8]利用硅-硅直接键合技术，研制成一种光纤访问式谐振式压力传感器。国内也有多家单位开展了MEMS 谐振式压力传感器的研究[9-11]，中科院电子所提出了一种基于氮化硅的谐振式压力传感器[12]，但是其谐振子结构采用10 μm的氮化硅梁，残余应力较大; 北京航空航天大学樊尚春等对热激励谐振式压力传感器进行了一定的研究[13]，但是对基于MEMS 技术的微谐振式压力传感器没有进行具体的加工。

　　本文提出了一种基于MEMS 技术的新型硅微谐振式压力传感器，设计了该结构的体硅加工工艺流程并且基于SOI 硅片完成了样品的制备。同时，为了解决谐振子在长时间湿法刻蚀中的侧壁保护问题而造成的结构设计的限制，提出了一种基于三层薄膜保护以释放谐振子的工艺新方法，效果明显。最后对加工的传感器进行了初步的性能测试，得到谐振频率和Q 值，并且将实验结果与采用有限元方法计算得到的谐振频率进行了比较。

　　1 谐振式压力传感器的设计

　　硅谐振压力传感器主要由上层玻璃、硅敏感结构和下层玻璃三部分构成。其中上层玻璃上布置有激励与检测电极; 下层玻璃上制作有导压孔; 硅敏感结构主要由谐振子、硅岛、压力敏感膜片及其四周键合台阶四部分构成。谐振子通过四个对称支撑梁及四个硅岛悬置于压力敏感膜片上，支撑梁与硅岛四边成45°夹角，其结构如图1 所示。当待测压力为零时，压力敏感膜片不受力，没有发生变形，硅岛处于原始位置，谐振子受到的纵向应力为零，其谐振频率为原始固有频率; 当待测压力不为零时，压力敏感膜片上下表面因存在压力差将发生变形，此时硅岛位置将发生变化，通过硅岛的传递与放大，谐振子也会感受到纵向应力的作用，相应的谐振子的固有频率将发生变化，通过检测谐振子频率的改变，达到压力检测的目的。谐振式压力传感器芯体尺寸为7. 20 mm×7. 20 mm×1. 06 mm，由上下两层PYREX玻璃和中间SOI 硅敏感单元组成。