，它會發(fā)生變 形，形成縱向位移。這樣就導致MEMS電容介質板8插入MEMS平行平板電容2的深度發(fā)生 改變，使得電容極板間的介電介質常數(shù)發(fā)生變化，從而引起MEMS電容值發(fā)生變化。其電容 值的變化量為其中AC為電容變化量，Ae為介電介質常數(shù)變化量，S否為 9 平行平板電極的面積，d為平行平板電極的間距。
[0046] MEMS壓力感應膜7的受壓縱向位移，同時使得MEMS電感螺旋線圈3和金屬層9之 間的磁間隙發(fā)生變化，繼而引起磁通量的改變，最終引起MEMS電感的變化。其中電感與間 .AS, 隙的變化關系可以簡化為：
[0047] 其中，AL和L。分別是磁間隙變化引起的電感值變化量和原電感值，AS和S。分 別是磁間隙的變化量和原磁間隙值。
[0048] 由以上分析可見，壓力變化導致的MEMS電容和MEMS電感的同時改變，能引起由電 容和電感組成的LC諧振回路的諧振頻率的變化。當傳感器工作時，這種由壓力變化引起的 諧振頻率的變化，可由外部讀取電路的耦合電感耦合輸出。
[0049] 本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)無源無線壓力傳感芯片的加工方法主要包括以下步驟：
[0050] 在下層襯底片上淀積一層絕緣層4,如Si02或Si3N4絕緣層，并利用標準的光刻和 干法腐蝕工藝將下層襯底片的周邊鍵合區(qū)域的絕緣層去除；
[0051] 在絕緣層4上濺射一層金屬層5,如銅Cu;
[0052] 在該金屬層5上通過光刻和金屬腐蝕工藝得到MEMS平行平板電容2的平面圖形 結構（包括兩個電極板和接線端），以及MEMS電感螺旋結構3的一個接線端，該接線端與 MEMS電容的一個平行平板電極的接線端連接；
[0053] 在金屬層5上淀積一層絕緣層4,用標準的光刻和干法腐蝕去除多余部分，露出前 述的MEMS平行平板電容的平面圖形結構，并在MEMS電感螺旋結構3的那個接線端處形成 一個開孔31，將開孔31下面的金屬層5露出來；
[0054] 在片上旋涂一層厚膠，如AZ4620,并通過標準的光刻顯影工藝，露出MEMS平行平 板電容2的平面圖形結構；再利用金屬電鍍工藝，電鍍具有一定高度的MEMS平行平板電容 結構，如電鍍厚銅Cu，實現(xiàn)三維MEMS平行平板電容結構；
[0055] 在MEMS電感螺旋結構3區(qū)域所在的絕緣層上淀積另外一層金屬層，該金屬層和前 述開孔31處的螺旋結構的接線端形成電連接，再通過光刻和金屬腐蝕工藝得到所需要的 MEMS電感的螺旋結構，以及該螺旋結構的另外一個接線端，該接線端與之前MEMS電容的另 外一個平行平板電極的接線端形成電連接；
[0056] 在MEMS電感區(qū)域旋涂一層厚膠，如AZ4620,并光刻出MEMS電感的螺旋結構的圖 形，再利用金屬電鍍工藝，電鍍具有一定厚度的MEMS電感螺旋結構3,如電鍍厚銅Cu;
[0057] 上層襯底片先通過標準機械研磨工藝減薄，再在上層襯底片的上部利用標準光刻 和腐蝕工藝（深度反應離子刻蝕或濕法腐蝕）制作一個空腔，該空腔的底部即為MEMS壓力 感應可動膜的上表面；
[0058] 在上層襯底片6的下部利用多步標準光刻和深度反應離子刻蝕工藝，可以得到帶 MEMS電容介質板8的MEMS壓力感應膜結構7 ;并得到上層襯底片6與下層襯底片1的鍵合 區(qū)域；
[0059] 在上層襯底片6的下部淀積一層金屬，采用標準光刻和腐蝕工藝去除其它部位的 金屬，僅保留其與下層結構中的MEMS螺旋線圈所對應部位的金屬層9部分，該金屬層9可 以為但不限于非晶體軟磁合金，其具有高的導磁率，如鎳鐵合金NiFe;
[0060] 將上層襯底片6與下層襯底片1鍵合，當上層襯底片6與下層襯底片1均采用硅 片時，可通過標準的MEMS硅-硅直接鍵合工藝連接成一個整體，如圖5所示。
[0061] 本發(fā)明的獨特優(yōu)點：
[0062] 1)提出一種結構簡單，含電容和電感雙重壓力感應單元的高靈敏度壓力傳感芯片 結構和加工方法。
[0063] 2)該壓力傳感芯片采用無功耗設計，壓力讀取采用無線方式，是一款適合物聯(lián)網(wǎng) 應用的無源無線壓力傳感芯片。滿足了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點器件的低成本和低功耗的需求。
[0064] 3)該發(fā)明的MEMS芯片結構簡單，工藝簡單，易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
[0065] 4)MEMS電容可采用平行平板結構，布置于絕緣襯底片上，可減少寄生電容。MEMS 電感采用電鍍工藝的螺旋線圈，和高導磁率的非晶體軟磁合金，可大大提高品質因數(shù)Q值。 這種結構和工藝設計保證了傳感器的高性能和高可靠性。
[0066] 本發(fā)明提出的高靈敏度無源無線壓力傳感芯片，在壓力感應，傳感原理和信息讀 取方面都具有創(chuàng)新性，能提高壓力傳感器的性能。本發(fā)明通過MEMS壓力感應膜帶動電容介 質板和電感軟磁合金層的移動，使得壓力變化時，同時改變MEMS電容和MEMS電感的大小， 是變介質電容傳感和變磁阻電感傳感的有機結合。本發(fā)明中壓力的變化能引起微電容和微 電感的連續(xù)變化，變化范圍大，靈敏度高，且MEMS電容，電感器件尺寸小，加工工藝簡單，易 于封裝，適合大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明的壓力傳感器較之傳統(tǒng)單一改變電容，電阻或電感的壓力 感應方法，能大大提高傳感器的靈敏度，提高系統(tǒng)Q值和傳感器芯片的可靠性。
[0067] 同時，本發(fā)明的壓力傳感芯片通過壓力變化引起MEMS電容和電感的改變，繼而改 變無源諧振電路的諧振頻率；而壓力的變化信號以外部電感耦合無線方式傳出，傳感器芯 片的工作無需電源，實現(xiàn)無源無線的壓力傳感。
[0068] 綜上，本發(fā)明能解決現(xiàn)有壓力傳感芯片在物聯(lián)網(wǎng)應用中所遇到的靈敏度不夠和更 換電源不變等引起的問題。
[0069] 應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種壓力傳感芯片，其特征在于，包括相連接的上層結構和下層結構； 所述下層結構包括下層襯底片，該下層襯底片上設有串聯(lián)的MEMS平行平板電容和MEMS電感線圈結構； 上層結構包括上層襯底片、MEMS壓力感應膜、MEMS電容介質板和金屬層，MEMS壓力 感應膜固定在上層襯底片上，且置于下層襯底片上方，MEMS電容介質板和金屬層均固定在 MEMS壓力感應膜的下表面上；MEMS電容介質板置于MEMS平行平板電容的兩個電極板之間， 金屬層位于MEMS電感的上方； MEMS壓力感應膜受壓產(chǎn)生縱向位移，并帶動MEMS電容介質板和金屬層移動，使得MEMS電容介質板插入MEMS平行平板電容的深度發(fā)生改變，且金屬層與MEMS電感線圈結構之間 的磁間隙也發(fā)生變化。2.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感芯片，其特征在于，所述金屬層為MEMS電感軟磁合 金層。3.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感芯片，其特征在于，上層襯底片和下層襯底片通過 鍵合工藝連接成一個整體。4.根據(jù)權利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)無源無線壓力傳感芯片，其特征在于，上層襯底片、 MEMS壓力感應膜、MEMS電容介質板和金屬層為一體結構。5.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感芯片，其特征在于，MEMS電感線圈結構為在下層襯 底片上的平面螺旋結構。6.根據(jù)權利要求1所述的壓力傳感芯片，其特征在于，MEMS壓力感應膜的上表面為空 洞結構。7. -種基于權利要求1的壓力傳感芯片的加工方法，其特征在于，包括以下步驟： 在下層襯底片上淀積一層絕緣層，并利用標準的光刻和干法腐蝕工藝將下層襯底片的 周邊鍵合區(qū)域的絕緣層去除； 在絕緣層上濺射一層金屬層，在該金屬層上通過光刻和金屬腐蝕工藝得到MEMS平行 平板電容的平面圖形結構，包括兩個電極板和接線端，以及MEMS電感螺旋結構的一個接線 端，該接線端與MEMS平行平板電容的一個平行平板電極的接線端連接； 在金屬層上淀積一層絕緣層，用標準的光刻和干法腐蝕去除多余部分，露出MEMS平行 平板電容的平面圖形結構，并在MEMS電感螺旋結構的接線端處形成一個開孔，將開孔下面 的金屬層露出來； 在下層襯底片上再旋涂一層厚膠，并通過標準的光刻顯影工藝，露出MEMS平行平板電 容的平面圖形結構；再利用金屬電鍍工藝，電鍍具有一定高度的MEMS平行平板電容結構， 實現(xiàn)三維MEMS平行平板電容結構； 在MEMS電感螺旋結構區(qū)域所在的絕緣層上淀積另外一層金屬層，該金屬層和開孔 處的MEMS電感螺旋結構的接線端形成電連接，再通過光刻和金屬腐蝕工藝得到所需要的 MEMS電感螺旋結構，以及該MEMS電感螺旋結構的另外一個接線端，該接線端與之前MEMS平 行平板電容的另外一個平行平板電極的接線端形成電連接； 在MEMS電感區(qū)域旋涂一層厚膠，并光刻出MEMS電感螺旋結構的圖形，再利用金屬電鍍 工藝，電鍍具有一定厚度的MEMS螺旋電感結構； 上層襯底片先通過標準機械研磨工藝減薄，再在上層襯底片的上部利用標準光刻和腐 蝕工藝制作一個空腔，該空腔的底部為MEMS壓力感應可動膜的上表面； 在上層襯底片的下部利用多步標準光刻和深度反應離子刻蝕工藝，可以得到帶MEMS 電容介質板的MEMS壓力感應膜結構；并得到上層襯底片與下層襯底片的鍵合區(qū)域； 在上層襯底片的下部淀積一層金屬，采用標準光刻和腐蝕工藝去除其它部位的金屬， 僅保留其與下層結構中的MEMS電感螺旋結構所對應部位的金屬層部分； 將上層襯底片與下層襯底片鍵合。8. 根據(jù)權利要求6所述的加工方法，其特征在于，制作所述空腔時采用的腐蝕工藝為 深度反應離子刻蝕或濕法腐蝕。9. 根據(jù)權利要求6所述的加工方法，其特征在于，上層襯底片的下部所淀積的一層金 屬為具有高導磁率非晶體軟磁合金。10. 根據(jù)權利要求6所述的加工方法，其特征在于，當上層襯底片與下層襯底片均采用 硅片時，通過標準的MEMS硅-硅直接鍵合工藝將兩個襯底片連接成一個整體。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓力傳感芯片及其加工方法，其中芯片包括上層結構和下層結構；下層結構包括下層襯底片，其上設有串聯(lián)的MEMS平行平板電容和MEMS電感；上層結構包括上層襯底片、MEMS壓力感應膜、MEMS電容介質板和金屬層，MEMS壓力感應膜固定在上層襯底片上，且置于下層襯底片上方，MEMS電容介質板和金屬層均固定在MEMS壓力感應膜的下表面；MEMS電容介質板置于電容的兩個電極板之間，金屬層位于MEMS電感的上方；MEMS壓力感應膜受壓產(chǎn)生縱向位移，并帶動MEMS電容介質板和金屬層移動，使得MEMS電容介質板插入MEMS平行平板電容的深度發(fā)生改變，且金屬層與MEMS電感之間的磁間隙也發(fā)生變化。
【IPC分類】G08C17/00, B81B3/00, G01L1/14, B81C1/00, G01L9/12, G01L9/10
【公開號】CN105203251
【申請?zhí)枴緾N201510676138
【發(fā)明人】鄧佩剛, 熊倫, 王寧
【申請人】武漢工程大學
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年10月16日