首页 > 论文 > 光学 精密工程 > 22卷 > 5期(pp:1235-1242)

谐振式MEMS压力传感器的制作及圆片级真空封装

Fabrication and wafer-level vacuum packaging of MEMS resonant pressure sensor

  • 摘要
  • 论文信息
  • 参考文献
  • 被引情况
  • PDF全文
分享:

摘要

为了提高传感器的品质因数,有效保护谐振器,提出了一种基于绝缘体上硅(SOI)-玻璃阳极键合工艺的谐振式微电子机械系统(MEMS)压力传感器的制作及真空封装方法。该方法采用反应离子深刻蚀技术(DRIE),分别在SOI晶圆的低电阻率器件层和基底层上制作H型谐振梁与压力敏感膜;然后,通过氢氟酸缓冲液腐蚀SOI晶圆的二氧化硅层释放可动结构。最后,利用精密机械加工技术在Pyrex玻璃圆片上制作空腔和电连接通孔,通过硅-玻璃阳极键合实现谐振梁的圆片级真空封装和电连接,成功地将谐振器封装在真空参考腔中。对传感器的性能测试表明:该真空封装方案简单有效,封装气密性良好;传感器在10 kPa~110 kPa的差分检测灵敏度约为10.66 Hz/hPa,线性相关系数为0.99 999 542。

Abstract

To improve the quality factor of sensors and to protect resonators, the fabrication and waferlevel vacuum packaging methods for a Microelectromechanic System(MEMS) resonant pressure sensor was proposed based on Silicon On Insulator (SOI)glass anodic bonding technology. Through Deep Reactive Ion Etching (DRIE) process and buffered oxide etched releasing process, Htype resonant beams and pressure diaphragm of the sensor were fabricated on the low resistivity device layer and the substrate layer of SOI wafer,respectively,and a moveable mechanism was release by a SiO2 layer of the SOI wafer corroded by hydrofluoric acid flow. Finally, electrical connection and a cavity for the vibration of beams was implemented on the Pyrex glass piece by fine mechanical machining and the waferlevel vacuum packaging and electric connection of the resonators were achieved with SOIglass anodic bonding. Experimental results demonstrate that the packaging scheme is effective and easy to achieve with an excellent hermetic sealing, and the sensor has a differential sensitivity of 10.66 Hz/hPa and linear correlation coefficient of 0.999 995 in the range of 10 kPa to 110 kPa.

Newport宣传-MKS新实验室计划
补充资料

中图分类号:TP212.1

DOI:10.3788/ope.20142205.1235

所属栏目:微纳技术与精密机械

基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.61072022)

收稿日期:2013-12-05

修改稿日期:2014-01-28

网络出版日期:--

作者单位    点击查看

陈德勇:中国科学院 电子学研究所 传感技术国家重点实验室 北京 100190
曹明威:中国科学院 电子学研究所 传感技术国家重点实验室 北京 100190
王军波:中国科学院 电子学研究所 传感技术国家重点实验室 北京 100190
焦海龙:中国科学院 电子学研究所 传感技术国家重点实验室 北京 100190
张健:中国科学院 电子学研究所 传感技术国家重点实验室 北京 100190

联系人作者:陈德勇(dychen@mail.ie.ac.cn)

备注:陈德勇(1967-), 男, 博士, 研究员, 1989年于清华大学获得学士学位, 1992年于中国科学院半导体所获得硕士学位, 2002年于中国科学院电子学研究所获得博士学位, 主要研究方向为MEMS微传感器与微系统。

【1】马志波, 姜澄宇, 任森, 等.基于SOI的硅微谐振式压力传感器芯片制作[J].传感技术学报, 2012, 25(2):180-183.
MA ZH B, JIANG CH Y, REN S, et al..Fabrication of a novel resonant pressure sensor baded on SOI wafer [J].Chinese Journal of Sensor and Actuators, 2012, 25(2):180-183.(in Chinese)

【2】李玉欣, 陈德勇, 王军波, 等.基于自停止腐蚀技术的H型谐振式微机械压力传感器[J].光学 精密工程, 2011, 19(12):2927-2934.
LI Y X, CHEN D Y, WANG J B, et al..H type Micro-machined resonant pressure sensor based on Self-stoped etch technique [J].Opt.Precision Eng., 2011, 19(12):2927-2934.(in Chinese)

【3】GREENWOOD J C, SATCHELL D W.Miniature silicon resonant pressure sensor [J].Control Theory and Applications, 1988, 135(5):369-372.

【4】IKEDA K.Silicon pressure sensor integrates resonant strain gauge on diaphragm [J].Sensor and Actuator A:Physical, 1990, 12(1-3):146-150.

【5】CHEN D Y, CUI D F, WANG L.SIN beam resonant pressure sensors with a novel structure[C].IEEE Sensors Conference, 2002:994-997.

【6】史晓晶, 陈德勇, 王军波, 等.一种新型微机械谐振式压力传感器研究[J].传感技术学报, 2009, 22(6):790-793.
SHI X J, CHEN D Y, WANG J B, et al..Research of a novel micromachined resonant pressure sensor [J].Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2009, 22(6):790-793.(in Chines)

【7】WANG J B, CHEN D Y, LI Y X.A micromachined resonant pressure sensor with DETFs resonantor and differential structure[C].IEEE Sensors Conference, 2009:1321-1324.

【8】CHEN D Y, WANG J B, LI Y X.A novel laterally driven micromachined resonant pressure sensor [C].IEEE Sensors Conference, 2010:1727.

【9】陈德勇.微机械谐振梁压力传感器研究[D].北京:中国科学院博士学位论文, 2002.
CHEN D Y.Research on Micromachined Resonant Beam Pressure Sensors [D].Beijing:Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, 2005.(in Chinese)

【10】陈李, 陈德勇, 王军波, 等.高性能电磁式微机械振动环陀螺[J].光学 精密工程, 2009, 17(8):1915-1921.
CHEN L, CHEN D Y, WANG J B, et al..High performance electromagnetic micro-machined ring vibration gyroscope [J].Opt.Precision Eng., 2009, 17(8):1915-1921.(in Chinese)

【11】马洪宇, 黄庆安, 秦明, 等.谐振式MEMS温度传感器设计[J].光学 精密工程, 2010, 18(9):2022-2027.
MA H Y, HUANG Q A, QIN M, et al..Design of resonant MEMS temperature sensor [J].Opt.Precision Eng., 2009, 17(8):1915-1921.(in Chinese)

【12】石然, 裘安萍, 苏岩, 等.硅微谐振式加速度计的实现及性能测试[J].光学 精密工程, 2010, 18(12):2583-2589.
SHI R, QIU A P, SU Y, et al..Implementation and experiments of micromechanical differential silicon resonant accelerometer [J].Opt.Precision Eng., 2010, 18(12):2583-2589.(in Chinese)

【13】刘猛, 王军波, 李玉欣, 等.电磁激励谐振式MEMS压力传感器闭环控制电路研究[J].传感技术学报, 2010, 23(8):1066-1069.
LIU M, WANG J B, LI Y X, et al..Research on closed loop control for resonant MEMS pressure sensor with electromagnetic excitation [J].Chinese Journal of Sensor and Actuators, 2010, 23(8):1066-1069.(in Chinese)

您的浏览器不支持PDF插件,请使用最新的(Chrome/Fire Fox等)浏览器.或者您还可以点击此处下载该论文PDF