[發明專利]一種基于面內諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片及其制備方法

有效

• 申請號: 201710538627.6
• 申請日: 2017-07-04
• 公開（公告）號: CN107271332B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發明（設計）人: 趙立波;黃琳雅;胡英杰;李支康;趙玉龍;蔣莊德
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N11/16
• 分類號: G01N11/16
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

1.一種基于面內諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片，其特征在于，包括H型硅微雙端固支梁結構和硅基底(6)；H型硅微雙端固支梁結構包括振子(1)、設置于振子(1)兩側的四個彈性固支梁和導線(7～8)；

四個彈性固支梁包括第一彈性固支梁(2)、第二彈性固支梁(3)、第三彈性固支梁(4)和第四彈性固支梁(5)；第一彈性固支梁(2)和第二彈性固支梁(3)平行設置于矩形的振子(1)一側，第三彈性固支梁(3)和第四彈性固支梁(4)平行設置于矩形的振子(1)另一側；第一彈性固支梁(2)和第四彈性固支梁(5)位于同一直線上；第二彈性固支梁(3)和第三彈性固支梁(4)位于同直線上；振子(1)和四個彈性固支梁呈H型；導線(7～8)包括兩條，一條設置于第一彈性固支梁(2)和第四彈性固支梁(5)上，另一條設置于第二彈性固支梁(3)和第三彈性固支梁(4)上；

H型硅微雙端固支梁結構的四個彈性固支梁末端固定于硅基底(6)的空腔中；

測量流體黏度時，基于面內諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片浸入被測流體中，H型硅微雙端固支梁結構中振子(1)的振動方向為y方向，z方向垂直于振子(1)上表面，x方向平行于彈性固支梁的長度方向；x方向、y方向和z方向相互垂直構成直角坐標系；

被測流體的黏度η_f為：

其中，η_f與ρ_f分別為待測流體的測量黏度和測量密度，C為常數，f_f為H型雙端固支梁在流體中的諧振頻率，Q_f和Q_vac分別為H型雙端固支梁在被測流體和真空環境中的品質因子；

被測流體的密度ρ_f為：

其中，f為H型硅微雙端固支梁結構的本征頻率，h、l和ρ_c分別為H型硅微雙端固支梁結構的厚度、長度和密度，w為彈性固支梁的寬度，E為H型硅微雙端固支梁結構的楊氏模量，f_fluid為H型硅微雙端固支梁結構在被測流體中的諧振頻率；

公式(1)中將η_f與ρ_f替換為待測液體的參考值，其它參數代入測試值，計算出常數C；

所述基于面內諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片能夠實現面內振動，且與被測流體之間為滑膜阻尼。

2.根據權利要求1所述的一種基于面內諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片，其特征在于，所述硅基底(6)底部外加磁鐵，用于為傳感器芯片提供外界恒定磁場，磁場方向垂直于傳感器芯片平面。

3.根據權利要求1所述的一種基于面內諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片，其特征在于：所述振子(1)為矩形截面質量塊，測量時在流體中進行面內振動，振動方向平行于傳感器芯片平面。

4.根據權利要求1所述的一種基于面內諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片，其特征在于，兩根導線中一根導線通入正弦交變電流，則所在的彈性固支梁在恒定磁場內受交變洛倫茲力做面內振動，振動方向平行于傳感器芯片平面，并帶動振子和另一側固支梁產生受迫振動；另一根導線在磁場中切割磁感線產生感應電動勢。

5.根據權利要求1所述的一種基于面內諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片，其特征在于，兩根導線的末端均設有焊盤，焊盤布置于硅基底(6)上，用于和外接電路的連接。

6.根據權利要求1所述的一種基于面內諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片，其特征在于，H型硅微雙端固支梁結構和硅基底(6)上表面覆蓋一層氮化硅絕緣保護層。

7.根據權利要求1所述的一種基于面內諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片，其特征在于，振子(1)和設置于振子(1)兩側的四個彈性固支梁由單晶硅制成。

8.權利要求1至7中任一項所述的一種基于面內諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)將p型(100)晶面SOI片清洗干凈；SOI片從上到下分為三層：上層單晶硅(13)、二氧化硅埋層(14)和下層單晶硅(15)；

2)在900℃～1200℃下對SOI片進行雙面氧化，得到二氧化硅層(16)；

3)采用RIE等離子刻蝕技術去除SOI片頂層的部分二氧化硅層(16)，裸露出與導線(7～8)形狀相同的部分上層單晶硅(13)，然后在SOI片頂層表面濺射制作金屬層(17)，再采用剝離工藝形成傳感器芯片的金屬導線；

4)采用DRIE深反應離子刻蝕技術，在SOI片正面形成結構層；

5)使用KOH濕法工藝刻蝕背腔至自停止層；

6)采用HF緩沖溶液濕法刻蝕，釋放H形雙端固支梁；獲得基于面內諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片。