[發(fā)明專利]基于微機電系統(tǒng)技術的密度傳感器芯片及其制備方法

無效

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• 申請日: 2009-12-08
• 公開（公告）號: CN101718667A
• 公開（公告）日: 2010-06-02
• 發(fā)明（設計）人: 趙立波;黃恩澤;蔣莊德;劉志剛
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N9/00
• 分類號: G01N9/00;B81B7/02;B81C1/00;B81C99/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

技術領域：

本發(fā)明涉及密度傳感器領域，特別是一種采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術 的振動懸臂梁結構的密度傳感器芯片及其制備方法。

背景技術：

傳統(tǒng)的流體密度測量方法主要根據(jù)阿基米德定律或者流體壓力公式通 過測量力(浮力或者水壓)來得到流體的密度。主要方法有力敏法、差壓 法、浮力法、靜力平衡法等，基于這些方法的密度傳感器也有很多，這些 傳感器具有結構簡單，量程較寬，穩(wěn)定性好等特點，但是這些傳感器有些 是精度不高，有些是設備昂貴，并且大都采用現(xiàn)場取樣，然后實驗室測量 的方式，難以實現(xiàn)實時在線測量。新近發(fā)展的流體密度測量方法主要有振 動管法和石英晶體法。前者利用振動管通入流體后的諧振頻率改變得到被 測流體的密度值，此方法需要的流體量很小，但只能進行靜態(tài)測量且振動 管制造復雜，成本高；后者利用石英晶體的逆壓電效應，根據(jù)浸入流體前 后的諧振頻率的改變得到流體密度值，此方法的靈敏度較高，但不適用于 粘度較大的流體密度測量。

隨著MEMS技術與傳感器技術的發(fā)展，國際上已經出現(xiàn)基于矩形懸臂 梁的MEMS密度傳感器，測量原理是根據(jù)懸臂梁浸入流體前后的諧振頻率 的改變得到流體的密度值，具有可在線測量的優(yōu)點。但是，矩形懸臂梁的 低靈敏度直接導致其密度測量誤差高(±10％)；而且所使用的鋁質引線 很容易在傳感器制造和使用時遭到腐蝕，導致傳感器成品率低、可靠性差； 引線在轉彎處呈直角導致其引線通電后置于磁場中受到的洛侖茲力在整個 懸臂梁呈不均勻分布，影響傳感器的使用壽命。

發(fā)明內容：

針對現(xiàn)有技術所存在的問題，本發(fā)明的目的在于通過MEMS技術與密 度傳感器技術結合，提供一種可實時在線測量、精度高、成本低的懸臂梁 式密度傳感器芯片。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于微機電系統(tǒng)技術的懸臂梁式密 度傳感器芯片的制備方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案予以實現(xiàn)的：

基于微機電系統(tǒng)技術的懸臂梁式密度傳感器芯片，包括上下兩層單晶 硅及兩層單晶硅之間設置的二氧化硅層，上層單晶硅包含有電阻層，上層 單晶硅的表面布置有氮化硅應力匹配層、引線、氮化硅遮蔽層、二氧化硅保 護層和氮化硅保護層，下層單晶硅的表面布置有二氧化硅保護層和氮化硅保 護層，其特征是所述的芯片為基于振動原理的梯形硅微懸臂梁結構芯片， 所述氮化硅遮蔽層上設有飛線，所述引線為鈦-鉑-金梁式引線。

所述的飛線為鈦-鉑-金梁式飛線。

一種基于微機電系統(tǒng)技術的懸臂梁式密度傳感器芯片的制備方法，其 特征在于，包括以下步驟：

1)選取(100)N型雙面拋光的SOI硅片，要求30～50μm的上層單晶硅， 200～400μm的下層單晶硅，兩層中間為0.5～1μm的二氧化硅；

2)先后采用質量百分比濃度≥70％的濃硫酸、1號清洗液、2號清洗液 對硅片進行清洗，每種溶液清洗三遍，并用去離子水沖洗干凈，1號清洗液 組份體積比為NaOH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶6，2號清洗液組份體積比為HCL∶ H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶8；

3)采用局部硼擴散工藝獲得P型電阻10，厚度為0.5～1.5μm，在800℃ 條件下進行預淀積，在1200℃條件下進行再分布，擴散時間為60分鐘，之 后利用低壓氣相淀積技術沉積0.1～0.3μm的氮化硅層；

4)利用離子刻蝕技術得到引線孔；

5)用真空蒸發(fā)與濺射法在正面形成0.2～0.3μm鈦-鉑-金引線層，光刻形 成鈦-鉑-金梁式引線；

6)采用低壓氣相淀積技術沉積0.2～0.3μm氮化硅遮蔽層；采用離子刻蝕 技術在飛線兩邊刻蝕兩個引線孔，在橋路上采用真空蒸發(fā)與濺射法形成 0.3～0.6μm的飛線；

7)雙面生長0.1～0.2μm的二氧化硅和0.3～0.6μm的氮化硅，以便在各向 異性腐蝕中起到保護作用；

8)等離子刻蝕在背面刻出窗口；

9)在100℃下采用40％KOH腐蝕溶液，進行各向異性腐蝕，二氧化硅 層作為停止層；

10)采用等離子體刻蝕技術刻蝕出焊盤，之后刻出V型槽，釋放懸臂梁；

11)劃片，形成單個管芯。