三梁-雙膜耦合的靜電諧振氣壓傳感器研究.pdf

1、MEMS諧振式微型壓力傳感器因其高的測(cè)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于大氣數(shù)據(jù)采集、氣象觀測(cè)、壓力校準(zhǔn)、發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試和油氣開采等領(lǐng)域。其中，靜電微諧振式壓力傳感器具有實(shí)現(xiàn)形式簡(jiǎn)單、工作狀態(tài)穩(wěn)定和IC工藝兼容性良好等優(yōu)點(diǎn)，因而受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外在靜電微諧振式壓力傳感器的設(shè)計(jì)與制備工藝方面已經(jīng)取得了諸多研究成果，但仍存在高靈敏度諧振梁穩(wěn)定性差、梁膜復(fù)合基諧振結(jié)構(gòu)面外位移較大、傳感器輸出溫漂嚴(yán)重、高Q值封裝工藝復(fù)雜等問題。圍繞

2、以上問題，論文從理論分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、圓片級(jí)制備、封裝以及測(cè)試等方面系統(tǒng)地展開了深入研究。
　　系統(tǒng)分析了梁膜復(fù)合結(jié)構(gòu)壓/頻轉(zhuǎn)換原理，創(chuàng)新性地提出一種三梁-雙膜耦合的靜電諧振式氣壓傳感器。三梁諧振結(jié)構(gòu)中，主梁敏感壓力、雙端固支的兩根副梁穩(wěn)定諧振結(jié)構(gòu)，相比于單諧振梁，極大地提高了組合梁的穩(wěn)定性;并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于硅島傳遞的雙壓力膜拱壓主梁的壓力-應(yīng)力轉(zhuǎn)換復(fù)合結(jié)構(gòu)，使諧振梁可移至雙膜之間，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化且更加緊湊;通過(guò)扭轉(zhuǎn)梁對(duì)硅島扭轉(zhuǎn)彎

3、矩的柔性預(yù)釋放及支撐梁的限位作用等機(jī)制和手段的引入，諧振梁的面外位移得到了很好的抑制，有限元仿真結(jié)果表明，諧振梁在300kPa壓力作用下的面外最大位移僅為0.05μm，從而保證了該傳感器可高靈敏度、高穩(wěn)定性工作。
　　圍繞低熱失配、高Q值圓片級(jí)封裝的器件制備工藝需求，基于刻蝕、鍵合、研拋、打孔和鍍膜等MEMS工藝，結(jié)合梁膜復(fù)合諧振結(jié)構(gòu)的典型特征，制定了全面可行的敏感芯片制備和封裝方案。在關(guān)鍵工藝的研究方面，針對(duì)十法刻蝕的notch

4、ing效應(yīng)，提出了二次掩膜法和曲面基底法，底切現(xiàn)象得到了有效抑制，使制備器件的基頻損失低于5％;在硅硅鍵合過(guò)程中，創(chuàng)新性地引入頻域法選片和干/濕法結(jié)合的活化技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了鍵合良率大于90％的圓片級(jí)鍵合;通過(guò)集成硬板掩膜和純鈦吸氣劑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了玻璃與多層單晶硅圓片的高真空鍵合，器件諧振Q值超過(guò)20000。
　　在優(yōu)化敏感結(jié)構(gòu)、突破關(guān)鍵制備工藝和實(shí)現(xiàn)圓片封裝的基礎(chǔ)上，研制傳感器原理樣機(jī)。樣機(jī)性能的綜合測(cè)試結(jié)果表明:傳感器量程為30-