三梁-双膜耦合的静电谐振气压传感器研究

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MEMS谐振式微型压力传感器因其高的测量精度和长期稳定性,被广泛应用于大气数据采集、气象观测、压力校准、发动机测试和油气开采等领域。其中,静电微谐振式压力传感器具有实现形式简单、工作状态稳定和IC工艺兼容性良好等优点,因而受到学术界和产业界的广泛关注。国内外在静电微谐振式压力传感器的设计与制备工艺方面已经取得了诸多研究成果,但仍存在高灵敏度谐振梁稳定性差、梁膜复合基谐振结构面外位移较大、传感器输出温漂严重、高Q值封装工艺复杂等问题。围绕以上问题,论文从理论分析、结构优化、圆片级制备、封装以及测试等方面系统地展开了深入研究。  系统分析了梁膜复合结构压/频转换原理,创新性地提出一种三梁-双膜耦合的静电谐振式气压传感器。三梁谐振结构中,主梁敏感压力、双端固支的两根副梁稳定谐振结构,相比于单谐振梁,极大地提高了组合梁的稳定性;并在此基础上,设计了基于硅岛传递的双压力膜拱压主梁的压力-应力转换复合结构,使谐振梁可移至双膜之间,结构简化且更加紧凑;通过扭转梁对硅岛扭转弯矩的柔性预释放及支撑梁的限位作用等机制和手段的引入,谐振梁的面外位移得到了很好的抑制,有限元仿真结果表明,谐振梁在300kPa压力作用下的面外最大位移仅为0.05μm,从而保证了该传感器可高灵敏度、高稳定性工作。  围绕低热失配、高Q值圆片级封装的器件制备工艺需求,基于刻蚀、键合、研抛、打孔和镀膜等MEMS工艺,结合梁膜复合谐振结构的典型特征,制定了全面可行的敏感芯片制备和封装方案。在关键工艺的研究方面,针对十法刻蚀的notching效应,提出了二次掩膜法和曲面基底法,底切现象得到了有效抑制,使制备器件的基频损失低于5%;在硅硅键合过程中,创新性地引入频域法选片和干/湿法结合的活化技术,成功实现了键合良率大于90%的圆片级键合;通过集成硬板掩膜和纯钛吸气剂技术,实现了玻璃与多层单晶硅圆片的高真空键合,器件谐振Q值超过20000。  在优化敏感结构、突破关键制备工艺和实现圆片封装的基础上,研制传感器原理样机。样机性能的综合测试结果表明:传感器量程为30-190 kPa,基频为34kHz左右,灵敏度可达30 Hz/kPa,补偿后满量程精度优于0.03%FS;65 min的短期频率稳定在±0.15 Hz以内,55天的长期输出频率相对偏移量优于50 ppm。传感器的输出精度已接近国际领先水平,在长期稳定测试方面有较大应用潜力。
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