一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片制造技术

一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基，在外围支撑硅基的背面配置有玻璃衬底，外围支撑硅基的背面与玻璃衬底进行键合连接，中央硅膜位于外围支撑硅基的中间，中央硅膜的一边和外围支撑硅基之间通过一硅悬臂梁相连，硅悬臂梁上的中间配置有四个压阻条，四个压阻条连接构成惠斯通电桥，中央硅膜与硅悬臂梁组成的梁膜结构构成传感器测量部位，当一定速度流体作用于传感器芯片时，将有惯性力作用于中央硅膜，进而使得梁膜结构发生变形，压阻条在硅悬臂梁的应力作用下其阻值发生变化，惠斯通电桥失去平衡，输出一个与外界流量相对应的电信号，从而实现传感器芯片对流量的测量，具有体积小，重量小，响应速度快和高灵敏度的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微机械电子
，具体涉及一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片。
技术介绍
流量测量是工业生产和科研工作的重要的检测参数。近年来，随着对微电子机械系统(MEMS)的深入研究和取得的进展，传统的工业和流体力学研究的流量传感器向高集成度，微型化，高精度，高可靠性方向发展。MEMS流量传感器按测量原理主要可以分为热式和非热式两种，经过30年的发展，热式MEMS流量传感器已经占据了流量测量的主流位置。但是，热式微流量传感器也有其固有的缺点。例如功耗大、衬底的热传导导致测量误差、零点随环境温度漂移、响应时间长等。另外，因为要对流体加热，所以就限制了热式微流量传感器在生物技术方面的应用。目前，非热式流量传感器研究相对较少，现有的非热式流量存在难以兼顾全量程范围内的灵敏度、普遍较难计算、制造过程难以与标准CMOS工艺兼容等问题。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，具有体积小，重量小，响应速度快和高灵敏度的优点。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为:一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基3，在外围支撑硅基3的背面配置有玻璃衬底4，外围支撑硅基3的背面与玻璃衬底4进行键合连接，中央硅膜I位于外围支撑娃基3的中间，中央娃膜I的一边和外围支撑娃基3之间通过一娃悬臂梁2相连，硅悬臂梁2上的中间配置有四个压阻条5，四个压阻条5连接构成惠斯通电桥，中央硅膜I与硅悬臂梁2组成的梁膜结构构成传感器测量部位；所述的中央硅膜I与外围支撑硅基3之间存在150-170 μ m的间隙以使中央质硅膜I悬空，中央硅膜I的厚度与硅悬臂梁2的厚度相同；所述的中央娃膜1、娃悬臂梁2和外围支撑娃基3三部分的中轴线重合。所述的硅悬臂梁2采用了(100)晶面硅。所述的四个压阻条5沿着[110]和[110]晶向布置。本专利技术采用250um (100晶面)N型双面抛光硅片制作。由于本专利技术采用梁膜结合的结构作为敏感元件，集流量感知与测量电路于一体，同时采用250um (100晶面)N型双面抛光硅片制作，故而具有体积小，重量小，响应速度快和高灵敏度的优点。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术的截面示意图。图3为压阻条5在硅悬臂梁2上的分布示意图。图4为压阻条5构成的惠斯通电桥示意图。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术的结构与工作原理详细说明。参见图1和图2，一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基3，在外围支撑硅基3的背面配置有玻璃衬底4，外围支撑硅基3的背面与玻璃衬底4进行键合连接，中央硅膜I位于外围支撑硅基3的中间，中央硅膜I的一边和外围支撑硅基3之间由一硅悬臂梁2相连，硅悬臂梁2上的中间配置有四个压阻条5，四个压阻条5连接构成惠斯通电桥，中央硅膜I与硅悬臂梁2组成的梁膜结构构成传感器测量部位，传感器芯片感应到的流量信号输入通过四个压阻条5组成的测量电路最终转化为电信号，完成对流量的感应与测量。所述的中央硅膜I与外围支撑硅基3之间存在150-170 μ m的间隙以使中央硅膜I悬空，并使得流体可以通过，中央硅膜I可以在外界流量作用时发生一定的位移，从而感知流量信息，所述的中央硅膜I的厚度与硅悬臂梁2的厚度相同，硅悬臂梁2的宽度小于中央硅膜的I的宽度，使应力集中作用明显。所述的中央娃膜1，娃悬臂梁2和外围支撑娃基3三部分的中轴线重合。所述的硅悬臂梁2采用了(100)晶面硅。所述的四个压阻条5沿着[110]和[110]晶向布置。本专利技术采用2 50um (100晶面)N型双面抛光硅片制作。参见图3和图4，四个压阻条5分别为电阻R1、R2、R3和R4，在硅悬臂梁2上，电阻Rl与电阻R3平行布置，电阻R2与电阻R4呈一条直线布置，四个压阻条5连接构成惠斯通电桥。本专利技术的工作原理是:一定速度流体垂直作用于传感器芯片上表面时，中央硅膜I作为传感器流量的敏感膜片。根据伯努利方程，当一定速度流体作用于中央硅膜I时，由于惯性力的作用，中央硅膜I会产生一定的位移，进而使梁膜结构中的硅悬臂梁2部分发生形变，该形变所产生的应力导致分布于硅悬臂梁2上的压阻条5的电阻值变化。这一阻值变化通过惠斯通电桥转变为电信号输出，从而实现传感器芯片的流量-电压信号转换，完成对流量的测量。本专利技术中硅悬臂梁2上的压阻条5阻值的变化量通过压阻效应的相关公式计算而来，压阻效应是指当半导体材料受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。当压阻条处于一定应力作用下时，其阻值变化与其所受应力之间的比例关系式如下:「 π Δ/ — = π,σ: + πττ,式中:R-压阻条初始阻值；Ji x—为压阻条横向压阻系数；Ji τ—压阻条纵向压阻系数；σ j——压阻条受到的正应力；τ i—压阻条受到的剪应力。因此硅悬臂梁2在外界流量作用时产生的应力将会使其上的压阻条5的阻值变化，通过惠斯通电桥再将此变化转变为电信号输出，继而实现对流量的感应与测量，压阻效应具有各向异性的特征，沿着不同的方向施加应力或沿不同方向通过电流，材料的电阻率变化均不相同，为了在同样的流量作用下得到更大的输出电信号，本专利技术中的硅悬臂梁2选择(100)晶面硅片，利用(100)晶面硅在[110]和[110]晶向上具有最大值，在[100]和晶向上几乎为零的特点，压阻条5沿着[110]和[110]晶向分布，提高了传感器芯片对流量的测量精度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基（3），其特征在于：在外围支撑硅基（3）的背面配置有玻璃衬底（4），外围支撑硅基（3）的背面与玻璃衬底（4）进行键合连接，中央硅膜（1）位于外围支撑硅基（3）的中间，中央硅膜（1）的一边和外围支撑硅基（3）之间通过一硅悬臂梁（2）相连，硅悬臂梁（2）上的中间配置有四个压阻条（5），四个压阻条（5）连接构成惠斯通电桥，中央硅膜（1）与硅悬臂梁（2）组成的梁膜结构构成传感器测量部位；所述的中央硅膜（1）与外围支撑硅基（3）之间存在150?170m的间隙以使中央质硅膜（1）悬空，中央硅膜（1）的厚度与硅悬臂梁（2）的厚度相同；所述的中央硅膜（1）、硅悬臂梁（2）和外围支撑硅基（3）三部分的中轴线重合。

【技术特征摘要】
1.一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基(3)，其特征在于:在外围支撑硅基(3)的背面配置有玻璃衬底(4)，外围支撑硅基(3)的背面与玻璃衬底(4)进行键合连接，中央娃膜(I)位于外围支撑娃基(3)的中间，中央娃膜(I)的一边和外围支撑娃基(3)之间通过一硅悬臂梁(2)相连，硅悬臂梁(2)上的中间配置有四个压阻条(5)，四个压阻条(5)连接构成惠斯通电桥，中央硅膜(I)与硅悬臂梁(2)组成的梁膜结构构成传感器测量部位； 所述的中央硅膜(I)与外围支撑硅基(3 )之间存在150-170m的间隙以使中央...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉龙，陈佩，李一瑶，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：