一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片及其制备方法，包括硅基底、四个弹性固支梁和中间的振子，两根导线分别布置在振子两侧的固支梁上。芯片底部外加磁铁用于提供恒定磁场，磁感线方向垂直于芯片平面，将其中一根导线通入一定频率的正弦交变电流，则这根导线所在的固支梁受交变洛伦兹力作用做面内振动，从而带动振子和另外一侧固支梁做受迫振动，则另外一根导线切割磁感线而产生感应电动势。将H型硅微双端固支梁结构浸入被测流体中，改变正弦交变电流的频率使得固支梁发生谐振，根据感应电动势的输出幅值大小可获得固支梁在被测流体中的谐振频率。根据在不同流体中H型双端固支梁谐振频率和品质因子的改变来实现流体黏度的测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片及其制备方法
本专利技术涉及MEMS(MicroElectromechanicalSystems，微型机械电子系统)传感器领域，更具体地说，涉及一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片及其制备方法。
技术介绍
MEMS黏度谐振传感器是基于谐振原理检测流体的黏度参数，具有MEMS传感器的小型化、集成化、多功能化等特征，在航空航天、石油勘探、生物医学等领域有着广泛的应用前景。但目前MEMS黏度谐振传感器仍有不足，当对黏性流体进行测量时，流体黏性越大使传感器芯片中谐振器所受阻尼力越大，黏度传感器的品质因子显著减小，降低传感器的测量精度与灵敏度，限制了MEMS黏度传感器在高黏度、大分子等多样性流体中的广泛应用。近年来，国内外科研机构对黏度传感器芯片的结构原理及加工工艺进行优化，建立优化谐振器的数学模型，对传感器芯片进行结构设计等等，以提高黏度传感器的品质因子，但多数研究中传感器的谐振器件置于流体中所受的阻尼力大，使黏度传感器对高黏度流体的测量精度差、灵敏度低，不能满足对高黏度流体的测量要求。目前对流体黏度的测量仍是以基于谐振原理的悬臂梁为主要研究对象。利用谐振原理测量流体黏度，即传感器芯片中谐振器的振动特性由流体的黏度决定，因此通过测定谐振器的谐振频率及品质因子即可求出待测流体的黏度，可以实现在线连续测量，具有稳定性好、测量精度较高等优点。但以悬臂梁作为谐振器件，根据其自身的结构特点和振动方向，与流体接触的阻尼面积大，且与流体之间为压膜阻尼，因而在高黏度流体中因品质因子的大幅减小影响了黏度测量的范围与精度，对于常见的高黏度、非牛顿流体的黏度测量范围小、精度低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片及其制备方法，通过实现H型硅微双端固支梁结构的面内振动，将与流体间的压膜阻尼替代为滑膜阻尼，显著降低黏度传感器芯片在流体环境中所受的阻尼力，提高黏度传感器对流体黏度的测量精度、灵敏度和稳定性；以有效解决现有技术中存在MEMS黏度传感器所受流体阻尼大、对高黏度流体测量精度低的工作问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，包括H型硅微双端固支梁结构和于硅基底；H型硅微双端固支梁结构包括振子、设置于振子两侧的四个弹性固支梁和导线；四个弹性固支梁包括第一弹性固支梁、第二弹性固支梁、第三弹性固支梁和第四弹性固支梁；第一弹性固支梁和第二弹性固支梁平行设置于矩形的振子一侧，第三弹性固支梁和第四弹性固支梁平行设置于矩形的振子另一侧；第一弹性固支梁和第四弹性固支梁位于同一直线上；第二弹性固支梁和第三弹性固支梁位于同直线上；振子和四个弹性固支梁呈H型；导线包括两条，一条设置于第一弹性固支梁和第四弹性固支梁上，另一条设置于第二弹性固支梁和第三弹性固支梁上；H型硅微双端固支梁结构的四个弹性固支梁末端固定于硅基底的空腔中；测量流体黏度时，基于面内谐振的MEMS流体密度传感器芯片完全浸入被测流体中，H型硅微双端固支梁结构中振子的振动方向为y方向，z方向垂直于振子(1)上表面，x方向平行于弹性固支梁的长度方向；x方向、y方向和z方向相互垂直构成直角坐标系；被测流体的黏度ηf为：其中，ηf与ρf分别为待测流体的测量黏度和测量密度，C为常数，ff为H型双端固支梁在流体中的谐振频率，Qf和Qvac分别为H型双端固支梁在被测流体和真空环境中的品质因子；被测流体的密度ρf为：其中，f为H型硅微双端固支梁结构的本征频率，h、l和ρc分别为H型硅微双端固支梁结构的厚度、长度和密度，w为弹性固支梁的宽度，E为H型硅微双端固支梁结构的杨氏模量，ffluid为H型硅微双端固支梁结构在被测流体中的谐振频率。进一步的，公式(1)中将ηf与ρf替换为待测液体的参考值，其它参数代入测试值，计算出常数C。进一步的，所述硅基底底部外加磁铁，用于为传感器芯片提供外界恒定磁场，磁场方向垂直于传感器芯片平面。进一步的，所述基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片能够实现面内振动，且与被测流体之间为滑膜阻尼。进一步的，所述振子为矩形截面质量块，测量时在流体中进行面内振动，振动方向平行于传感器芯片平面。进一步的，两根导线中一根导线通入正弦交变电流，则所在的弹性固支梁在恒定磁场内受交变洛伦兹力做面内振动，振动方向平行于传感器芯片平面，并带动振子和另一侧固支梁产生受迫振动；另一根导线在磁场中切割磁感线产生感应电动势。进一步的，两根导线的末端均设有焊盘，焊盘布置于硅基底上，用于和外接电路的连接。进一步的，H型硅微双端固支梁结构和硅基底上表面覆盖一层氮化硅绝缘保护层。进一步的，振子和设置于振子两侧的四个弹性固支梁由单晶硅制成。一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：1)将p型(100)晶面SOI片清洗干净；SOI片从上到下分为三层：上层单晶硅、二氧化硅埋层和下层单晶硅；2)在900℃～1200℃下对SOI片进行双面氧化，得到二氧化硅层；3)采用RIE等离子刻蚀技术去除SOI片顶层的部分二氧化硅层，裸露出与导线形状相同的部分上层单晶硅，然后在SOI片顶层表面溅射制作金属层，再采用剥离工艺形成传感器芯片的金属导线；4)采用DRIE深反应离子刻蚀技术，在SOI片正面形成结构层；5)使用KOH湿法工艺刻蚀背腔至自停止层；6)采用HF缓冲溶液湿法刻蚀，释放H形双端固支梁；获得基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片。本专利技术一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片至少具有以下优点：本专利技术的MEMS流体黏度传感器芯片采用面内振动方式，H型双端固支梁与流体之间的阻尼类型为滑膜阻尼，相比传统谐振器与流体间的压膜阻尼，流体阻尼力显著减小，有利于提高MEMS黏度传感器的品质因子，实现高黏度流体的准确测量，黏度测量范围可达1mPa·s～100mPa·s；可用于非牛顿流体的黏度测量，并有良好的测量精度与灵敏度。该流体黏度传感器芯片能够实现面内谐振和高黏度流体的黏度测量，测量精度优于±1％FS。附图说明图1为本专利技术一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片的结构原理示意图。图2为本专利技术H型双端固支梁结构的面内振动示意图。图3为本专利技术一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片的制备工艺流程图。图中标号如下所示：具体实施方式下面将结合附图，并通过实例，对本专利技术的优选实施作进一步详细描述。图1是本专利技术的结构原理示意图。由图1可知，本专利技术一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，包括基于振动原理的H型硅微双端固支梁结构和硅基底6，H型硅微双端固支梁结构包括振子1、弹性固支梁2～5、导线7～8以及焊盘9～12，该黏度传感器芯片能够实现面内振动，与被测流体之间为滑膜阻尼，显著减小流体阻尼作用力，提高黏度传感器的品质因子与测量精度。所述硅基底6底部外加磁铁，用于为传感器芯片提供外界恒定磁场，磁场方向垂直于芯片平面；两根导线7～8分别布置在振子1两侧的弹性固支梁2～5上，将其中一根导线通入一定频率的正弦交变电流，则所在的固支梁在恒定磁场内受交变洛伦兹力作用而做面内振动，振动方向平行于芯片平面，并带动振子1和另一侧固支梁产生受迫振动，则另一根导线在磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，其特征在于，包括H型硅微双端固支梁结构和于硅基底(6)；H型硅微双端固支梁结构包括振子(1)、设置于振子(1)两侧的四个弹性固支梁和导线(7～8)；四个弹性固支梁包括第一弹性固支梁(2)、第二弹性固支梁(3)、第三弹性固支梁(4)和第四弹性固支梁(5)；第一弹性固支梁(2)和第二弹性固支梁(3)平行设置于矩形的振子(1)一侧，第三弹性固支梁(3)和第四弹性固支梁(4)平行设置于矩形的振子(1)另一侧；第一弹性固支梁(2)和第四弹性固支梁(5)位于同一直线上；第二弹性固支梁(3)和第三弹性固支梁(4)位于同直线上；振子(1)和四个弹性固支梁呈H型；导线(7～8)包括两条，一条设置于第一弹性固支梁(2)和第四弹性固支梁(5)上，另一条设置于第二弹性固支梁(3)和第三弹性固支梁(4)上；H型硅微双端固支梁结构的四个弹性固支梁末端固定于硅基底(6)的空腔中；测量流体黏度时，基于面内谐振的MEMS流体密度传感器芯片浸入被测流体中，H型硅微双端固支梁结构中振子(1)的振动方向为y方向，z方向垂直于振子(1)上表面，x方向平行于弹性固支梁的长度方向；x方向、y方向和z方向相互垂直构成直角坐标系；被测流体的黏度ηf为：...

【技术特征摘要】
1.一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，其特征在于，包括H型硅微双端固支梁结构和于硅基底(6)；H型硅微双端固支梁结构包括振子(1)、设置于振子(1)两侧的四个弹性固支梁和导线(7～8)；四个弹性固支梁包括第一弹性固支梁(2)、第二弹性固支梁(3)、第三弹性固支梁(4)和第四弹性固支梁(5)；第一弹性固支梁(2)和第二弹性固支梁(3)平行设置于矩形的振子(1)一侧，第三弹性固支梁(3)和第四弹性固支梁(4)平行设置于矩形的振子(1)另一侧；第一弹性固支梁(2)和第四弹性固支梁(5)位于同一直线上；第二弹性固支梁(3)和第三弹性固支梁(4)位于同直线上；振子(1)和四个弹性固支梁呈H型；导线(7～8)包括两条，一条设置于第一弹性固支梁(2)和第四弹性固支梁(5)上，另一条设置于第二弹性固支梁(3)和第三弹性固支梁(4)上；H型硅微双端固支梁结构的四个弹性固支梁末端固定于硅基底(6)的空腔中；测量流体黏度时，基于面内谐振的MEMS流体密度传感器芯片浸入被测流体中，H型硅微双端固支梁结构中振子(1)的振动方向为y方向，z方向垂直于振子(1)上表面，x方向平行于弹性固支梁的长度方向；x方向、y方向和z方向相互垂直构成直角坐标系；被测流体的黏度ηf为：其中，ηf与ρf分别为待测流体的测量黏度和测量密度，C为常数，ff为H型双端固支梁在流体中的谐振频率，Qf和Qvac分别为H型双端固支梁在被测流体和真空环境中的品质因子；被测流体的密度ρf为：其中，f为H型硅微双端固支梁结构的本征频率，h、l和ρc分别为H型硅微双端固支梁结构的厚度、长度和密度，w为弹性固支梁的宽度，E为H型硅微双端固支梁结构的杨氏模量，ffluid为H型硅微双端固支梁结构在被测流体中的谐振频率。2.根据权利要求1所述的一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，其特征在于，公式(1)中将ηf与ρf替换为待测液体的参考值，其它参数代入测试值，计算出常数C。3.根据权利要求1所述的一种基于面内...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立波，黄琳雅，胡英杰，李支康，赵玉龙，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61