一种多操作模式的压电黏度传感器芯片及其工作方法和制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多操作模式的压电黏度传感器芯片及其工作方法和制备方法，包括硅基底和硅微悬臂梁谐振器。通过MEMS工艺使硅微谐振悬臂梁结构覆盖有低应力氮化铝压电薄膜，双压电电极既可用于通入一定频率的交变电压并利用逆压电效应产生压电驱动力，也可将硅微悬臂梁谐振器的振动信号通过压电效应转化为可检测电压信号，四根压阻梁上的四个敏感压阻条通过压阻衔接梁上的金属引线构成惠斯通全桥，用于检测谐振应力并将其转化为电压信号输出，通过压电激励方式可以得到悬臂梁谐振器的面内振动模态，振动电信号的输出采用压电与压阻双检测模式，该黏度传感器芯片在流体中具备高品质因子，能够显著提升流体黏度的适用范围与测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种多操作模式的压电黏度传感器芯片及其工作方法和制备方法
本专利技术涉及MEMS(MicroElectromechanicalSystems，微型机械电子系统)传感器领域，更具体地说，涉及一种多操作模式的压电黏度传感器芯片及其工作方法和制备方法。
技术介绍
基于MEMS技术的谐振黏度传感器芯片对流体黏度特性的检测，依托于所附着流体分子附加质量变化与黏滞力变化而引起的谐振器谐振频率与品质因子的变化，相较传统黏度计具有体积小、易操作、灵敏度高等优越的测量性能。但流体黏度对MEMS谐振黏度传感器芯片的品质因子有不可忽视的影响，中高黏度流体对浸没其中的黏度谐振器产生显著的流体黏性阻尼，流体阻尼力较大、谐振器阻尼抗性弱，均会显著降低谐振器的品质因子，降低谐振器振动稳定性，使MEMS黏度传感器芯片面临适用范围窄、精度低、便捷性差等关键问题。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种多操作模式的压电黏度传感器芯片及其工作方法和制备方法，以期在提升黏度传感器在流体中的品质因子与流体阻尼抗性，提升黏度传感器的黏度测量范围与测量精度的同时，提高谐振黏度传感器的便携性与可靠性。为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种多操作模式的压电黏度传感器芯片，包括硅基底和硅微悬臂梁谐振器，硅微悬臂梁谐振器包括微悬臂梁悬空结构、固支梁结构、压阻梁结构和压阻衔接梁结构；硅基底上设有空腔，微悬臂梁悬空结构设置于空腔中，微悬臂梁悬空结构与硅基底之间通过固支梁结构连接；>压阻衔接梁包括第一压阻衔接梁和第二压阻衔接梁，第一压阻衔接梁和第二压阻衔接梁在固支梁结构沿宽度方向的两侧对称设置；压阻梁结构包括第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁和第四压阻梁；第一压阻梁的一端与微悬臂梁悬空结构连接，第一压阻梁的另一端与第一压阻衔接梁的一侧连接；第二压阻梁的一端与第一压阻衔接梁的另一侧连接，第二压阻梁的另一端与硅基底连接；第三压阻梁的一端与第二压阻衔接梁的另一侧连接，第三压阻梁的另一端与硅基底连接；第四压阻梁的一端与微悬臂梁悬空结构连接，第四压阻梁的另一端与第二压阻衔接梁的一侧连接；第一压阻梁与第四压阻梁关于固支梁结构对称布置，第二压阻梁和第三压阻梁关于固支梁结构对称布置，第一压阻梁与第二压阻梁关于第一压阻衔接梁对称布置，第三压阻梁和第四压阻梁关于第二压阻衔接梁对称布置；固支梁结构在其宽度方向的两侧分别设有第一压电电极和第二压电电极，第一压电电极和第二压电电极均包括顶电极和底电极；第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁、第四压阻梁、第一压电电极和第二压电电极均通过金属引线连接有焊盘，第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁和第四压阻梁上的敏感压阻条电连接形成惠斯通全桥。优选的，第一压阻衔接梁和第二压阻衔接梁位于固支梁结构长度方向的中部，第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁和第四压阻梁的长度、宽度和厚度均相同。优选的，第一压电电极的顶电极和底电极与第二压电电极的顶电极和底电极的形状、大小均相同。优选的，本专利技术给出多操作模式的压电黏度传感器芯片结构尺寸特例，微悬臂梁悬空结构的尺寸为：长×宽＝(1100±5)×(1400±5)μm2；固支梁结构(6)尺寸为：长×宽＝(310±5)×(270±5)μm2；第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁和第四压阻梁的尺寸为：长×宽＝(125±3)×(8±3)μm2；第一压阻衔接梁和第二压阻衔接梁尺寸为：长×宽＝(60±5)×(85±5)μm2；金属引线宽度为：20±10μm，硅微悬臂梁谐振器厚度为：30±10μm。本专利技术所述的多操作模式的压电黏度传感器芯片的工作方法，包括如下过程：采用压电激励方式激发硅微悬臂梁谐振器的面内振动模态；对于压电激励、压电检测工作模式，对第一压电电极和第二压电电极中的其中一个通入正弦交变电压，构成顶电极通电、底电极接地的方式，固支梁结构在压电驱动力的作用下带动微悬臂梁悬空结构产生振动，当交变电压频率接近硅微悬臂梁谐振器的面内谐振固有频率时，产生面内谐振模态，固支梁结构的振动使第一压电电极和第二压电电极中的另一个由于压电效应产生交变电压；对于压电激励、压阻检测工作模式，对第一压电电极和第二压电电极同时通入反相交变正弦电压，构成双压电电极的顶电极通电、底电极接地方式，根据逆压电效应，固支梁结构在双压电驱动力的作用下带动微悬臂梁悬空结构产生振动，当交变电压频率接近硅微悬臂梁谐振器的面内谐振固有频率时，产生面内谐振模态，使第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁和第四压阻梁产生振动，并使其上的敏感压阻条阻值发生改变，从而通过惠斯通全桥输出交变电压检测信号。本专利技术所述的多操作模式的压电黏度传感器芯片的制备方法，包括如下步骤：步骤1：双面氧化N型(100)SOI硅片，正反两面生成热氧二氧化硅层；步骤2：在完成步骤1的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉压阻梁结构对应区域内的热氧二氧化硅，其余区域的热氧二氧化硅层充当掩模，在露出的器件层上进行硼离子轻掺杂，将硼离子轻掺杂区域作为压阻梁结构上的敏感压阻条；步骤3：在完成步骤2的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉压阻梁端部应区域的热氧二氧化硅，在露出器件层上进行硼离子重掺杂，形成低阻值的欧姆接触区；步骤4：对完成步骤3的SOI硅片进行正反两面的薄膜沉积，依次制备出氮化硅层和二氧化硅层；步骤5：对完成步骤4的SOI硅片正面进行金属薄膜沉积，沉积的金属薄膜既用于压电氮化铝薄膜的衬底，又用作压电电极的底电极；步骤6：对完成步骤5的SOI硅片正面进行压电AlN薄膜溅射，得到AlN薄膜；步骤7：对完成步骤6的SOI硅片正面干法刻蚀引线孔，之后进行金属电极层溅射，并利用剥离工艺形成压电电极以及电气连接敏感压阻条的金属引线和焊盘；步骤8：对完成步骤7的SOI硅片进行干法刻蚀，依次对正面区域、背腔区域进行干法刻蚀，从而实现硅微悬臂梁谐振器的释放，制备得到所述多操作模式的压电黏度传感器芯片。优选的，步骤4中，利用化学气相沉积(PECVD)技术依次制备出氮化硅层和二氧化硅层。优选的，步骤5中，金属薄膜采用钼薄膜。优选的，步骤5中，利用磁控溅射技术沉积金属薄膜；步骤6中，利用磁控溅射技术制备AlN薄膜。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术的多操作模式的压电黏度传感器芯片：将硅微悬臂梁结构作为谐振器件，其较大表面积增加与流体分子的作用面积，提高黏度测量灵敏度，且满足黏度传感器对低成本、高可靠性的设计要求；谐振器的工作模态为面内振动模态，流体作用形式以滑膜阻尼为主导，显著显小流体阻尼力对谐振器的振动抗力，同时增加谐振器的流体阻尼抗性与品质因子，提升黏度传感器的测量范围、精度与稳定性；传感器可采用压电激励、压电检测与压电激励、压阻检测工作模式，压电激励为传感器提供可靠的振动驱动力，压电检测与压阻检测可满足传感器低、中、高黏度流体的高效测量要求，且压电激励方式，为黏度传感器芯片的微型化、集成化封装提供便利，提升黏度传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多操作模式的压电黏度传感器芯片，其特征在于，包括硅基底(5)和硅微悬臂梁谐振器，硅微悬臂梁谐振器包括微悬臂梁悬空结构(1)、固支梁结构(6)、压阻梁结构和压阻衔接梁结构；硅基底(5)上设有空腔(5-1)，微悬臂梁悬空结构(1)设置于空腔(5-1)中，微悬臂梁悬空结构(1)与硅基底(5)之间通过固支梁结构(6)连接；/n压阻衔接梁包括第一压阻衔接梁(9-1)和第二压阻衔接梁(9-2)，第一压阻衔接梁(9-1)和第二压阻衔接梁(9-2)在固支梁结构(6)沿宽度方向的两侧对称设置；/n压阻梁结构包括第一压阻梁(2-1)、第二压阻梁(2-2)、第三压阻梁(2-3)和第四压阻梁(2-4)；第一压阻梁(2-1)的一端与微悬臂梁悬空结构(1)连接，第一压阻梁(2-1)的另一端与第一压阻衔接梁(9-1)的一侧连接；第二压阻梁(2-2)的一端与第一压阻衔接梁(9-1)的另一侧连接，第二压阻梁(2-2)的另一端与硅基底(5)连接；第三压阻梁(2-3)的一端与第二压阻衔接梁(9-2)的一侧连接，第三压阻梁(2-3)的另一端与硅基底(5)连接；第四压阻梁(2-4)的一端与微悬臂梁悬空结构(1)连接，第四压阻梁(2-4)的另一端与第二压阻衔接梁(9-2)的另一侧连接；第一压阻梁(2-1)与第四压阻梁(2-4)关于固支梁结构(6)对称布置，第二压阻梁(2-2)和第三压阻梁(2-3)关于固支梁结构(6)对称布置，第一压阻梁(2-1)与第二压阻梁(2-2)关于第一压阻衔接梁(9-1)对称布置，第三压阻梁(2-3)和第四压阻梁(2-4)关于第二压阻衔接梁(9-2)对称布置；/n固支梁结构(6)在其宽度方向的两侧分别设有第一压电电极(7)和第二压电电极(8)，第一压电电极(7)和第二压电电极(8)均包括顶电极和底电极；/n第一压阻梁(2-1)、第二压阻梁(2-2)、第三压阻梁(2-3)、第四压阻梁(2-4)、第一压电电极(7)和第二压电电极(8)均通过金属引线连接有焊盘，第一压阻梁(2-1)、第二压阻梁(2-2)、第三压阻梁(2-3)和第四压阻梁(2-4)的敏感压阻条电连接形成惠斯通全桥。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多操作模式的压电黏度传感器芯片，其特征在于，包括硅基底(5)和硅微悬臂梁谐振器，硅微悬臂梁谐振器包括微悬臂梁悬空结构(1)、固支梁结构(6)、压阻梁结构和压阻衔接梁结构；硅基底(5)上设有空腔(5-1)，微悬臂梁悬空结构(1)设置于空腔(5-1)中，微悬臂梁悬空结构(1)与硅基底(5)之间通过固支梁结构(6)连接；
压阻衔接梁包括第一压阻衔接梁(9-1)和第二压阻衔接梁(9-2)，第一压阻衔接梁(9-1)和第二压阻衔接梁(9-2)在固支梁结构(6)沿宽度方向的两侧对称设置；
压阻梁结构包括第一压阻梁(2-1)、第二压阻梁(2-2)、第三压阻梁(2-3)和第四压阻梁(2-4)；第一压阻梁(2-1)的一端与微悬臂梁悬空结构(1)连接，第一压阻梁(2-1)的另一端与第一压阻衔接梁(9-1)的一侧连接；第二压阻梁(2-2)的一端与第一压阻衔接梁(9-1)的另一侧连接，第二压阻梁(2-2)的另一端与硅基底(5)连接；第三压阻梁(2-3)的一端与第二压阻衔接梁(9-2)的一侧连接，第三压阻梁(2-3)的另一端与硅基底(5)连接；第四压阻梁(2-4)的一端与微悬臂梁悬空结构(1)连接，第四压阻梁(2-4)的另一端与第二压阻衔接梁(9-2)的另一侧连接；第一压阻梁(2-1)与第四压阻梁(2-4)关于固支梁结构(6)对称布置，第二压阻梁(2-2)和第三压阻梁(2-3)关于固支梁结构(6)对称布置，第一压阻梁(2-1)与第二压阻梁(2-2)关于第一压阻衔接梁(9-1)对称布置，第三压阻梁(2-3)和第四压阻梁(2-4)关于第二压阻衔接梁(9-2)对称布置；
固支梁结构(6)在其宽度方向的两侧分别设有第一压电电极(7)和第二压电电极(8)，第一压电电极(7)和第二压电电极(8)均包括顶电极和底电极；
第一压阻梁(2-1)、第二压阻梁(2-2)、第三压阻梁(2-3)、第四压阻梁(2-4)、第一压电电极(7)和第二压电电极(8)均通过金属引线连接有焊盘，第一压阻梁(2-1)、第二压阻梁(2-2)、第三压阻梁(2-3)和第四压阻梁(2-4)的敏感压阻条电连接形成惠斯通全桥。


2.根据权利要求1所述的一种多操作模式的压电黏度传感器芯片，其特征在于，第一压阻衔接梁(9-1)和第二压阻衔接梁(9-2)位于固支梁结构(6)长度方向的中部，第一压阻梁(2-1)、第二压阻梁(2-2)、第三压阻梁(2-3)和第四压阻梁(2-4)的长度、宽度和厚度均相同。


3.根据权利要求1所述的一种多操作模式的压电黏度传感器芯片，其特征在于，第一压电电极(7)的顶电极和底电极与第二压电电极(8)的顶电极和底电极的形状、大小均相同。


4.权利要求1-3任意一项所述的多操作模式的压电黏度传感器芯片的工作方法，其特征在于，包括如下过程：
采用压电激励方式激发硅微悬臂梁谐振器的面内振动模态；
对于压电激励、压电...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立波，黄琳雅，王路，谭仁杰，卢德江，罗国希，杨萍，王永录，王久洪，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61