[發(fā)明專利]一種基于面內(nèi)諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710538627.6
• 申請(qǐng)日: 2017-07-04
• 公開（公告）號(hào): CN107271332B
• 公開（公告）日: 2019-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙立波;黃琳雅;胡英杰;李支康;趙玉龍;蔣莊德
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N11/16
• 分類號(hào): G01N11/16
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

本發(fā)明公開了一種基于面內(nèi)諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片及其制備方法，包括硅基底、四個(gè)彈性固支梁和中間的振子，兩根導(dǎo)線分別布置在振子兩側(cè)的固支梁上。芯片底部外加磁鐵用于提供恒定磁場(chǎng)，磁感線方向垂直于芯片平面，將其中一根導(dǎo)線通入一定頻率的正弦交變電流，則這根導(dǎo)線所在的固支梁受交變洛倫茲力作用做面內(nèi)振動(dòng)，從而帶動(dòng)振子和另外一側(cè)固支梁做受迫振動(dòng)，則另外一根導(dǎo)線切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。將H型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)浸入被測(cè)流體中，改變正弦交變電流的頻率使得固支梁發(fā)生諧振，根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的輸出幅值大小可獲得固支梁在被測(cè)流體中的諧振頻率。根據(jù)在不同流體中H型雙端固支梁諧振頻率和品質(zhì)因子的改變來實(shí)現(xiàn)流體黏度的測(cè)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及MEMS(Micro Electromechanical Systems，微型機(jī)械電子系統(tǒng))傳感器領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種基于面內(nèi)諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片及其制備方法。

背景技術(shù)

MEMS黏度諧振傳感器是基于諧振原理檢測(cè)流體的黏度參數(shù)，具有MEMS傳感器的小型化、集成化、多功能化等特征，在航空航天、石油勘探、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但目前MEMS黏度諧振傳感器仍有不足，當(dāng)對(duì)黏性流體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，流體黏性越大使傳感器芯片中諧振器所受阻尼力越大，黏度傳感器的品質(zhì)因子顯著減小，降低傳感器的測(cè)量精度與靈敏度，限制了MEMS黏度傳感器在高黏度、大分子等多樣性流體中的廣泛應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)對(duì)黏度傳感器芯片的結(jié)構(gòu)原理及加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，建立優(yōu)化諧振器的數(shù)學(xué)模型，對(duì)傳感器芯片進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等等，以提高黏度傳感器的品質(zhì)因子，但多數(shù)研究中傳感器的諧振器件置于流體中所受的阻尼力大，使黏度傳感器對(duì)高黏度流體的測(cè)量精度差、靈敏度低，不能滿足對(duì)高黏度流體的測(cè)量要求。

目前對(duì)流體黏度的測(cè)量仍是以基于諧振原理的懸臂梁為主要研究對(duì)象。利用諧振原理測(cè)量流體黏度，即傳感器芯片中諧振器的振動(dòng)特性由流體的黏度決定，因此通過測(cè)定諧振器的諧振頻率及品質(zhì)因子即可求出待測(cè)流體的黏度，可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測(cè)量，具有穩(wěn)定性好、測(cè)量精度較高等優(yōu)點(diǎn)。但以懸臂梁作為諧振器件，根據(jù)其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和振動(dòng)方向，與流體接觸的阻尼面積大，且與流體之間為壓膜阻尼，因而在高黏度流體中因品質(zhì)因子的大幅減小影響了黏度測(cè)量的范圍與精度，對(duì)于常見的高黏度、非牛頓流體的黏度測(cè)量范圍小、精度低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于面內(nèi)諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片及其制備方法，通過實(shí)現(xiàn)H型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)的面內(nèi)振動(dòng)，將與流體間的壓膜阻尼替代為滑膜阻尼，顯著降低黏度傳感器芯片在流體環(huán)境中所受的阻尼力，提高黏度傳感器對(duì)流體黏度的測(cè)量精度、靈敏度和穩(wěn)定性；以有效解決現(xiàn)有技術(shù)中存在MEMS黏度傳感器所受流體阻尼大、對(duì)高黏度流體測(cè)量精度低的工作問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種基于面內(nèi)諧振的MEMS流體黏度傳感器芯片，包括H型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)和于硅基底；H型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)包括振子、設(shè)置于振子兩側(cè)的四個(gè)彈性固支梁和導(dǎo)線；

四個(gè)彈性固支梁包括第一彈性固支梁、第二彈性固支梁、第三彈性固支梁和第四彈性固支梁；第一彈性固支梁和第二彈性固支梁平行設(shè)置于矩形的振子一側(cè)，第三彈性固支梁和第四彈性固支梁平行設(shè)置于矩形的振子另一側(cè)；第一彈性固支梁和第四彈性固支梁位于同一直線上；第二彈性固支梁和第三彈性固支梁位于同直線上；振子和四個(gè)彈性固支梁呈H型；導(dǎo)線包括兩條，一條設(shè)置于第一彈性固支梁和第四彈性固支梁上，另一條設(shè)置于第二彈性固支梁和第三彈性固支梁上；

H型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)的四個(gè)彈性固支梁末端固定于硅基底的空腔中；

測(cè)量流體黏度時(shí)，基于面內(nèi)諧振的MEMS流體密度傳感器芯片完全浸入被測(cè)流體中，H型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)中振子的振動(dòng)方向?yàn)閥方向，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(gòu)成直角坐標(biāo)系；

被測(cè)流體的黏度η_f為：