一种基于面内谐振的MEMS流体密度传感器芯片及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于面内谐振的MEMS流体密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，沿硅基底长度方向的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，通过在不同流体中固支梁谐振频率的改变来实现流体密度的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS(Micro Electromechanical Systems，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流体密度传感器芯片及其制备方法。

背景技术

密度作为流体的基本热物性质参数之一，流体密度的高精度、实时在线测量在石油化工、生物医学、航空航天和科学研究等领域都具有广泛的应用。随着MEMS技术与加工工艺的不断发展，基于MEMS技术的流体密度传感器具有体积小、响应快、易于集成、灵敏度高等优点，在诸多领域越加受到重视。其中密度传感器敏感元件的种类主要包括谐振梁、谐振板、振动管、振动膜等，而基于谐振机理的悬臂梁以其结构简单、加工工艺易实现、密度测量稳定性高等优点成为流体密度传感器的主要研究对象。基于谐振机理的流体密度传感器中谐振器的谐振频率由流体的密度决定，因此通过测定谐振器的谐振频率即可求出待测流体的密度，可以实现在线连续测量，具有稳定性好、测量精度高等优点。但随着科学技术的进步与工程要求的日益复杂，对于密度测量范围、测量精度的要求越来越高，而以悬臂梁作为谐振器件其自身的结构特点使其振动方向为垂直于流体表面，流体阻尼接触面积大，与流体之间阻尼为压膜阻尼，因而在较高密度流体中依附于悬臂梁表面的流体附加质量增加、阻尼增大，使悬臂梁的谐振性能下降，包括品质因子减小、谐振频率降低等，导致流体密度测量灵敏度低、精度差等情况发生，限制了密度传感器的适用流体范围，不能满足实际多样且复杂化的工程需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于面内谐振的流体密度传感器芯片，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，显著降低密度传感器芯片在流体环境中所受的阻尼力，提高密度传感器对流体密度的测量精度、灵敏度和稳定性，提高流体密度测量范围。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于面内谐振的MEMS流体密度传感器芯片，包括H型硅微双端固支梁结构和硅基底；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。

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流体密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。

进一步的，测量流体密度时，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；

被测流体的密度ρ_f为：

其中，f为H型硅微双端固支梁结构的本征频率，h、l和ρ_c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，f_fluid为H型硅微双端固支梁结构在被测流体中的谐振频率。

一种基于面内谐振的MEMS流体密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流体密度传感器芯片。

本发明提出的一种基于面内谐振的MEMS流体密度传感器芯片至少具有以下优点：本发明的流体密度传感器芯片采用面内振动方式，H型硅微双端固支梁结构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，有利于实现对流体密度的准确测量，密度测量范围可达100kg/m³～2000kg/m³；可用于非牛顿流体的密度测量，并有良好的测量精度与灵敏度。

本发明基于面内谐振的MEMS流体密度传感器芯片采用H型硅微双端固支梁结构，谐振频率作为H型硅微双端固支梁结构的重要参数，对传感器的频率响应特性、测量精度及测量范围有着非常大的影响。谐振器件的谐振频率与附着在其表面的流体附加质量与振动阻尼直接相关，在同样尺寸、材质和流体环境的条件下，经过理论计算和COMSOL模拟仿真分析得到，面内谐振的H型硅微双端固支梁结构较矩形悬臂梁有着较高的谐振频率。该流体密度传感器芯片能够实现面内谐振和流体密度的准确测量，精度优于±0.5％FS。

附图说明

图1为本发明一种基于面内谐振的MEMS流体密度传感器芯片的结构原理示意图。

图2为本发明H型硅微双端固支梁结构的面内振动示意图。

图3为本发明一种基于面内谐振的MEMS流体密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，对本发明的优选实施作进一步详细描述。

图1是本发明的结构原理示意图。由图1可知，本发明一种基于面内谐振的MEMS流体密度传感器芯片，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；该密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，提高密度传感器的测量范围、测量精度与稳定度。

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中切割磁感线从而产生感应电动势；改变通入正弦交变电流的频率使得浸入被测流体中的H型固支梁发生谐振，根据感应电动势的输出幅值大小即可获得固支梁在被测流体中的谐振频率；根据在不同流体中固支梁谐振频率的改变来实现流体密度的测量。

结合图2进一步可知，H型硅微双端固支梁结构中振子1的振动方向为y方向，实现H型硅微双端固支梁结构的面内振动，且与流体之间为滑膜阻尼，显著降低被测流体的阻尼作用。

基于面内谐振的MEMS流体密度传感器芯片的测量工作方程满足：

其中，f为H型硅微双端固支梁结构的本征频率，ρ_f为流体的密度，h、l和ρ_c分别为H型硅微双端固支梁结构厚度、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，f_fluid为H型硅微双端固支梁结构在流体中的谐振频率。

H型硅微双端固支梁结构的设计尺寸参数为：

w₁100μmw₂5μmL₁600μmL₂100μmh30μm

其中，w₁为H型硅微双端固支梁结构宽度；w₂为弹性固支梁的宽度；L₁为弹性固支梁的长度；L₂为振子的长度；w＝w₂；L₁+L₁+L₂＝l。

使用COMSOL有限元仿真软件对H型硅微双端固支梁结构建立流固耦合仿真模型，使用压力声学物理场模拟流体环境，H型硅微双端固支梁结构为单晶硅材料，流体参数选用常见的醇类及烷类：乙醇、正庚烷、正己烷、正辛烷。仿真结果为：

流体谐振频率f(kHz)乙醇15.75正庚烷16.37正己烷16.81正辛烷16.43

结合图3，说明一种基于面内谐振的MEMS流体密度传感器芯片的制备工艺流程：

(1)参照图3中a，使用HF溶液清洗的SOI硅片，SOI硅片为p型(100)晶面；所述SOI硅片从上到下分为三层：上层单晶硅13、二氧化硅埋层14和下层单晶硅15；

(2)参照图3中b，在900℃～1200℃下进行双面氧化硅片，在SOI硅片两面均得到二氧化硅层16的厚度约为0.3μm；

(3)参照图3中c，采用RIE等离子刻蚀技术去除硅片顶层的部分氧化硅层16，裸露出与导线、焊盘形状相同的部分上层单晶硅13，然后在单晶硅表面溅射制作厚度为500nm的Al金属层或其他结构的金属层17，再采用剥离(lift-off)工艺形成传感器芯片的金属引线7～8和焊盘9～12；

(4)如图3中d所示，采用DRIE深反应离子刻蚀技术，在硅片正面形成结构层；

(5)如图3中e所示，使用KOH湿法工艺刻蚀背腔至自停止层(二氧化硅埋层14)；

(6)如图3中f所示，采用HF缓冲溶液湿法刻蚀，释放H形双端固支梁；

(7)在芯片正面上上沉积氮化硅17进行绝缘保护，用以实现导电、腐蚀性等复杂流体的密度测量，且在焊盘9～12处刻蚀掉相应的氮化硅，实现电气连接。

本发明的主要技术指标如下：

1.测量介质：牛顿和非牛顿流体；

2.密度测量范围：100kg/m³～2000kg/m³；

3.测量精度：优于±0.5％FS；

4.工作温度：-25℃～120℃；

5.环境压力：≤100MPa。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。