一种基于面内谐振的MEMS黏密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黏密度传感器芯片及其制备方法，包括硅基底和硅微谐振梁结构，其中硅微谐振梁结构包括中间的振子以及振子两侧的弹性连接梁和弹性固支梁，振子每侧两根相互垂直的连接梁组成T型梁结构，振子及其两侧的弹性固支梁和T型梁分别布有两根导线，两导线沿振子长度方向平行分布，分别用于通入一定频率的正弦交变电流和检测产生的感应电动势，根据硅微谐振梁谐振状态时感应电动势输出幅值的大小可获得硅微谐振梁在被测流体中的谐振频率，通过在不同流体中硅微谐振梁的谐振频率和品质因子来实现流体黏度和密度的测量。MEMS黏密度传感器芯片基于面内振动原理，使用电磁激励、电磁检测的方法实现流体黏度和密度的准确测量。

A MEMS density sensor chip based on in-plane resonance and its preparation method

The invention discloses a plane resonator based on MEMS viscosity density sensor chip and its preparation method, including silicon and silicon micro resonant beam structure, wherein the silicon resonant micro beam structure includes a connecting beam and elastic beam in the middle of the vibrator and the elastic vibrator on both sides of the vibrator on each side of two mutually perpendicular connection beam type T beam structure, vibrator and on both sides of the elastic clamped beam and T beam are respectively distributed along two wires, two wire oscillator length parallel to the direction of distribution, were used for the induction of an electromotive force detection and sinusoidal alternating current into a certain frequency, based on silicon resonant micro beam resonant state of induction motor. The potential output amplitude of the available silicon resonant micro beam at the resonant frequency in the fluid is measured by the resonant frequency and quality factor in different fluid silicon resonant micro beam to realize fluid viscosity and density measurement The amount of. The MEMS density sensor chip is based on the principle of in-plane vibration, and uses electromagnetic excitation and electromagnetic testing to achieve accurate measurement of fluid viscosity and density.

【技术实现步骤摘要】
一种基于面内谐振的MEMS黏密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黏密度传感器芯片及其制备方法。
技术介绍
随着MEMS(MicroElectromechanicalSystems，微型机械电子系统)技术的发展，MEMS黏密度传感器作为一种能够同时测量流体黏度和密度的多功能传感器，其具有的微型化、集成化、功耗低和准确度高等优点使其在工业、医疗、化工和生物等诸多领域得到日渐广泛的应用。对基于谐振原理的黏密度传感器而言，按照谐振器件在流体中振动方式的不同可分为面外振动和面内振动，对面外振动而言，谐振器件与周围流体存在压缩力，所受阻尼为压膜阻尼，而做面内振动的谐振器件与周围流体为剪切力，所受阻尼为滑膜阻尼，因而在高黏度流体中，基于面外振动的黏密度传感器所受的阻尼力会显著增加，成为其黏密度测量范围、准确度和稳定度等测量性能下降的重要原因。为实现黏密度传感器在高黏度流体中的准确测量，诸多研究学者及相关结构对面内振动展开了研究，目前主要的面内振动方式有：振子的平行于芯片平面的摆动以及振子在宽度和长度方向的延伸振动，但是许多面内结构在提高黏密度传感器芯片品质因子的同时，使谐振频率显著降低，尚不能满足对高黏度流体同时获得较高精度、灵敏度的黏度和密度测量需要。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于面内谐振的MEMS黏密度传感器芯片及其制备方法，本专利技术通过实现硅微谐振梁结构的面内振动，将与流体间的压膜阻尼替代为滑膜阻尼，降低黏密度传感器芯片在流体环境中所受的阻尼力，提高传感器芯片的品质因子并具有较高的谐振频率，提高黏密度传感器对黏度和密度的测量精度与灵敏度等测量性能，能够有效解决现有技术中存在MEMS黏密度传感器对高黏度流体测量精度低的技术难题。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黏密度传感器芯片，其特征在于，包括硅基底和硅微谐振梁结构，硅基底上开设有窗口，硅微谐振梁结构设置在窗口内并与窗口连接；硅微谐振梁结构包括振子、弹性连接梁、弹性固支梁以及导线；弹性连接梁包括第一弹性连接梁、第二弹性连接梁、第三弹性连接梁和第四弹性连接梁；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；第一弹性连接梁和第二弹性连接梁相互垂直并组成T型梁结构，第一弹性连接梁的一端与振子相连，另一端与第二弹性连接梁的中部连接，第二弹性连接梁的两端分别与第一弹性固支梁和第二弹性固支梁的端部相连，第一弹性固支梁和第二弹性固支梁相互平行，均与第二弹性连接梁垂直；第三弹性连接梁和第四弹性连接梁相互垂直并组成T型梁结构，第三弹性连接梁与第一弹性连接梁对称设置在振子两侧，第三弹性连接梁的一端与振子相连，另一端与第四弹性连接梁的中部连接，第四弹性连接梁的两端分别与第三弹性固支梁和第四弹性固支梁的端部相连，第三弹性固支梁和第四弹性固支梁相互平行，均与第四弹性连接梁垂直；第一弹性连接梁、第二弹性连接梁、第一弹性固支梁和第二弹性固支梁连接而成的整体与第三弹性连接梁、第四弹性连接梁、第三弹性固支梁和第四弹性固支梁连接而成的整体关于振子对称；第一弹性连接梁和第三弹性连接梁的中心线与振子的长度方向的中心线重合；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的另一端固定于硅基底的窗口的边缘上；导线包括对称设置的第一导线和第二导线，第一导线沿着第三弹性固支梁、第四弹性连接梁、振子的长度方向的中心线、第一弹性连接梁、第二弹性连接梁和第一弹性固支梁的路径设置；第二导线沿着第四弹性固支梁、第四弹性连接梁、振子的长度方向的中心线、第一弹性连接梁、第二弹性连接梁和第二弹性固支梁的路径设置。进一步的，所述振子为矩形截面质量块，振动方向为沿振子宽度方向的面内振动，且振动方向平行于传感器芯片，振子与被测流体间存在相互作用的剪切力。硅基底的形状为矩形，窗口为矩形窗口，窗口的与硅基底同心且对应边平行，硅微谐振梁结构设置在窗口的长度或宽度方向所对应的轴线上。振子为长方体结构，振子与窗口同心且对应边平行，长度为50～100μm，宽度为150～300μm，厚度为15～30μm；第一弹性连接梁和第三弹性连接梁的尺寸相同，长度为20～40μm，宽度为10～30μm，厚度为15～30μm；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的尺寸相同，长度为300～1000μm，宽度为10～20μm，厚度为15～30μm；第二弹性连接梁和第四弹性连接梁的尺寸相同，宽度为40～100μm，长度为10～40μm，厚度为15～30μm。所述硅基底为单晶硅。进一步的，第一导线和第二导线的两端均分别连接有焊盘，硅微谐振梁结构和硅基底上除焊盘对应的位置外均覆盖有氮化硅绝缘保护层，保障传感器芯片在腐蚀性、导电性等流体中仍可以实现黏密度的准确测量。一种基于面内谐振的MEMS黏密度传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)，将硅基底的正面和背面均进行氧化，在硅片表面生成二氧化硅层；步骤2)，再在步骤1)处理完的硅基底的正面旋涂一层光刻胶，再在导线与焊盘对应位置进行光刻，去除该位置的光刻胶，然后在硅基底表面溅射制作金属层，再进行剥离，使硅基底表面形成传感器芯片的导线和焊盘；步骤3)，再在步骤2)处理完的硅基底的正面和背面制备厚一层氮化硅层；步骤4)，再在步骤3)处理完的硅基底背面去除窗口对应区域的氮化硅层和二氧化硅层，使硅基底背面露出待腐蚀窗口，在待腐蚀窗口处刻蚀窗口对应的背腔，使硅基底上窗口所对应的区域形成一定厚度的薄膜，该薄膜的厚度为硅微谐振梁厚度；步骤5)，再在步骤4)处理完的硅基底的正面旋涂光刻胶，再在焊盘对应位置进行光刻，露出氮化硅层，再刻蚀掉焊盘处对应的氮化硅，露出焊盘；步骤6)，再在步骤5)处理完的硅基底的正面旋涂光刻胶，再在窗口所对应的区域中除了硅微谐振梁结构对应区域进行光刻，露出该区域的氮化硅层，再对该区域进行刻蚀，释放出硅微谐振梁结构，至此获得基于面内谐振的MEMS黏密度传感器芯片。在进行步骤1)之前，使用HF溶液对双面抛光的硅基底表面进行清洗，清洗后，硅片厚度为300～400μm。所述步骤1)中，生成的二氧化硅层的厚度为0.4～0.5μm。所述步骤3)中，采用LPCVD工艺在步骤3)处理完的硅基底的正面和背面制备厚为0.2～1.0μm的氮化硅层。所述步骤4)中，使用KOH湿法工艺在待腐蚀窗口处刻蚀窗口对应的背腔。所述步骤6)中，释放出硅微谐振梁结构时的刻蚀过程采用感应耦合等离子刻蚀工艺。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术一种基于面内谐振的MEMS黏密度传感器芯片至少具有以下优点：本专利技术的MEMS黏密度传感器芯片通过在硅基底上开设窗口，硅微谐振梁结构设置在窗口内并与窗口连接，硅微谐振梁结构包括振子、弹性连接梁、弹性固支梁以及导线，弹性连接梁为两个T型梁结构，两个T型梁结构对称设置在振子两侧，并分别通过对称的两根弹性固支梁与硅基底的窗口的边缘连接，导线设置为两根，两根导线对称布置在弹性连接梁和弹性固支梁上，并穿过振子宽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于面内谐振的MEMS黏密度传感器芯片，其特征在于，包括硅基底(12)和硅微谐振梁结构，硅基底(12)上开设有窗口(12‑1)，硅微谐振梁结构设置在窗口(12‑1)内并与窗口(12‑1)连接；硅微谐振梁结构包括振子(1)、弹性连接梁、弹性固支梁以及导线；弹性连接梁包括第一弹性连接梁(2)、第二弹性连接梁(3)、第三弹性连接梁(4)和第四弹性连接梁(5)；弹性固支梁包括第一弹性固支梁(6)、第二弹性固支梁(7)、第三弹性固支梁(8)和第四弹性固支梁(9)；第一弹性连接梁(2)和第二弹性连接梁(3)相互垂直并组成T型梁结构，第一弹性连接梁(2)的一端与振子(1)相连，另一端与第二弹性连接梁(3)的中部连接，第二弹性连接梁(3)的两端分别与第一弹性固支梁(6)和第二弹性固支梁(7)的端部相连，第一弹性固支梁(6)和第二弹性固支梁(7)相互平行，均与第二弹性连接梁(3)垂直；第三弹性连接梁(4)和第四弹性连接梁(5)相互垂直并组成T型梁结构，第三弹性连接梁(4)与第一弹性连接梁(2)对称设置在振子(1)两侧，第三弹性连接梁(4)的一端与振子(1)相连，另一端与第四弹性连接梁(5)的中部连接，第四弹性连接梁(5)的两端分别与第三弹性固支梁(8)和第四弹性固支梁(9)的端部相连，第三弹性固支梁(8)和第四弹性固支梁(9)相互平行，均与第四弹性连接梁(5)垂直；第一弹性连接梁(2)、第二弹性连接梁(3)、第一弹性固支梁(6)和第二弹性固支梁(7)连接而成的整体与第三弹性连接梁(4)、第四弹性连接梁(5)、第三弹性固支梁(8)和第四弹性固支梁(9)连接而成的整体关于振子(1)对称；第一弹性连接梁(2)和第三弹性连接梁(4)的中心线与振子(1)的长度方向的中心线重合；第一弹性固支梁(6)、第二弹性固支梁(7)、第三弹性固支梁(8)和第四弹性固支梁(9)的另一端固定于硅基底(12)的窗口(12‑1)的边缘上；导线包括对称设置的第一导线(10)和第二导线(11)，第一导线(10)沿着第三弹性固支梁(8)、第四弹性连接梁(5)、振子(1)的长度方向的中心线、第一弹性连接梁(2)、第二弹性连接梁(3)和第一弹性固支梁(6)的路径设置；第二导线(11)沿着第四弹性固支梁(9)、第四弹性连接梁(5)、振子(1)的长度方向的中心线、第一弹性连接梁(2)、第二弹性连接梁(3)和第二弹性固支梁(7)的路径设置。...

【技术特征摘要】
1.一种基于面内谐振的MEMS黏密度传感器芯片，其特征在于，包括硅基底(12)和硅微谐振梁结构，硅基底(12)上开设有窗口(12-1)，硅微谐振梁结构设置在窗口(12-1)内并与窗口(12-1)连接；硅微谐振梁结构包括振子(1)、弹性连接梁、弹性固支梁以及导线；弹性连接梁包括第一弹性连接梁(2)、第二弹性连接梁(3)、第三弹性连接梁(4)和第四弹性连接梁(5)；弹性固支梁包括第一弹性固支梁(6)、第二弹性固支梁(7)、第三弹性固支梁(8)和第四弹性固支梁(9)；第一弹性连接梁(2)和第二弹性连接梁(3)相互垂直并组成T型梁结构，第一弹性连接梁(2)的一端与振子(1)相连，另一端与第二弹性连接梁(3)的中部连接，第二弹性连接梁(3)的两端分别与第一弹性固支梁(6)和第二弹性固支梁(7)的端部相连，第一弹性固支梁(6)和第二弹性固支梁(7)相互平行，均与第二弹性连接梁(3)垂直；第三弹性连接梁(4)和第四弹性连接梁(5)相互垂直并组成T型梁结构，第三弹性连接梁(4)与第一弹性连接梁(2)对称设置在振子(1)两侧，第三弹性连接梁(4)的一端与振子(1)相连，另一端与第四弹性连接梁(5)的中部连接，第四弹性连接梁(5)的两端分别与第三弹性固支梁(8)和第四弹性固支梁(9)的端部相连，第三弹性固支梁(8)和第四弹性固支梁(9)相互平行，均与第四弹性连接梁(5)垂直；第一弹性连接梁(2)、第二弹性连接梁(3)、第一弹性固支梁(6)和第二弹性固支梁(7)连接而成的整体与第三弹性连接梁(4)、第四弹性连接梁(5)、第三弹性固支梁(8)和第四弹性固支梁(9)连接而成的整体关于振子(1)对称；第一弹性连接梁(2)和第三弹性连接梁(4)的中心线与振子(1)的长度方向的中心线重合；第一弹性固支梁(6)、第二弹性固支梁(7)、第三弹性固支梁(8)和第四弹性固支梁(9)的另一端固定于硅基底(12)的窗口(12-1)的边缘上；导线包括对称设置的第一导线(10)和第二导线(11)，第一导线(10)沿着第三弹性固支梁(8)、第四弹性连接梁(5)、振子(1)的长度方向的中心线、第一弹性连接梁(2)、第二弹性连接梁(3)和第一弹性固支梁(6)的路径设置；第二导线(11)沿着第四弹性固支梁(9)、第四弹性连接梁(5)、振子(1)的长度方向的中心线、第一弹性连接梁(2)、第二弹性连接梁(3)和第二弹性固支梁(7)的路径设置。2.根据权利要求1所述的一种基于面内谐振的MEMS黏密度传感器芯片，其特征在于，硅基底(12)的形状为矩形，窗口(12-1)为矩形窗口，窗口(12-1)的与硅基底(12)同心且对应边平行，硅微谐振梁结构设置在窗口(12-1)的长度或宽度方向所对应的轴线上。3.根据权利要求1所述的一种基于面内谐振的MEMS黏密度传感器芯片，其特征在于，振子(1)为长方体结构，振子(1)与窗口(12-1)同心且对应边平行，长度为50～100μm，宽度为150～300μm，厚度为15～30μm；第一弹性连接梁(2)和第三弹性连接梁(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立波，黄琳雅，蒋维乐，胡英杰，王久洪，李支康，苑国英，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