【摘 要】
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谐振式MEMS压力传感器是气压传感器中的一个典型代表,它不仅具有传统机械谐振传感器精度高、稳定性好等优点,还具有体积小、功耗低等特点。本论文设计了基于SOI-MEMS工艺的谐振
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谐振式MEMS压力传感器是气压传感器中的一个典型代表,它不仅具有传统机械谐振传感器精度高、稳定性好等优点,还具有体积小、功耗低等特点。本论文设计了基于SOI-MEMS工艺的谐振式压力传感器,并提出了一种基于硅-玻璃阳极键合技术的圆片级真空封装方法,实现了谐振器的真空密封,论文主要内容包括传感器的结构设计、理论分析与仿真优化、制作工艺,Pyrex玻璃封盖的结构设计、制作和圆片级真空封装及初步的性能测试等内容。 设计了一种电磁激励差分检测的硅微谐振式压力传感器,该传感器包括梁膜一体的传感器芯片和带有电连接通孔的玻璃封盖。传感器芯片由方形压力敏感膜和固支在其上的两个“H”型谐振梁组成,分别由SOI晶圆的基底层与器件层制作。采用器件层的低电阻率单晶硅作为导电介质,并设计了隔离槽实现电绝缘。结合传感器芯片的焊盘与隔离槽的设计,提出了具有电连接通孔的Pyrex玻璃封盖结构,并采用阳极键合技术实现“H”型谐振梁的真空密封,有效地对谐振梁进行保护。Pyrex玻璃与单晶硅的热膨胀系数相近,还可以减小封装应力的引入。 基于弹性理论建立了双端固支梁和方形压力敏感膜的数学模型,并结合有限元仿真技术对谐振梁的尺寸以及在压力敏感膜上的位置等结构参数进行了优化,使得边缘谐振梁和中间谐振梁具有相同的灵敏度,但随压力的变化方向相反,有效地提高了传感器的线性度及抗干扰能力。 采用SOI-MEMS体加工工艺制作传感器芯片,成品率在95%以上。由于无需多层薄膜沉积的工艺,避免了薄膜应力的引入,同时简化了工艺流程。采用精密机械加工的方法制作了具有电连接通孔和真空腔的Pyrex玻璃封盖,并采用阳极键合技术实现圆片级真空封装,极大地提高了封装效率。 初步测试结果表明:谐振梁的品质因数Q值为1400左右。传感器在0~110kPa的检测范围内具有10.66kHz/kPa差分检测灵敏度,同时具有0.99999542的线性相关系数。实验结果与理论分析及计算机模拟符合较好。
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