專利名稱：具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的mems流體密度傳感器芯片及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種密度傳感器領(lǐng)域，更確切地說，是一種具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的 MEMS流體密度傳感器芯片及制備方法。
背景技術(shù)：
密度是流體的一個重要的熱物性參數(shù)，在眾多領(lǐng)域中流體密度測量的準(zhǔn)確性起著非常重要的作用。比如在石油工業(yè)中，原油的密度決定著輸油管道的材質(zhì)、尺寸以及原油提純后續(xù)設(shè)備的選取；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，人體血液的密度能反應(yīng)人體的健康狀況，如果能對人體血液密度進行實時監(jiān)測，一些病癥就有可能及早發(fā)現(xiàn)并利于及時治療；在環(huán)保領(lǐng)域中，對河水密度的監(jiān)測結(jié)果可以反應(yīng)河水的污染情況，從而可以采取相應(yīng)的保護措施。隨著微機電系統(tǒng)(Micro Electromechanical Systems，MEMS)技術(shù)的發(fā)展，基于微型振動懸臂梁結(jié)構(gòu)的傳感器因具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點而得到了廣泛的研究?；谖⑿驼駝討冶哿航Y(jié)構(gòu)的傳感器已經(jīng)取得了一些初步的研究成果，這類傳感器可以用于液體化學(xué)物質(zhì)的檢測、氣體檢測以及分子檢測等?；谖⑿驼駝討冶哿旱牧黧w密度傳感器的研究還處于起步階段，它具體表現(xiàn)為基于矩形硅微懸臂梁的流體密度傳感器，在懸臂梁上表面濺射鋁線圈，將傳感器置于勻強磁場中，鋁線圈中通入交流電，在安培力作用下矩形硅微懸臂梁開始振動，根據(jù)在不同密度的流體中矩形硅微懸臂梁的諧振頻率不同這一特性，建立起流體密度和懸臂梁諧振頻率的方程式，實現(xiàn)流體密度的測量。當(dāng)鋁線圈中通入的交流電頻率和懸臂梁的固有頻率相等時，懸臂梁就會發(fā)生諧振，此時，矩形硅微懸臂梁上的惠斯通電橋的輸出電壓達到最大值，并以此來判斷懸臂梁是否諧振。已知矩形懸臂梁的靈敏度較低，而且由于在鋁線圈中通入頻率可變的交流電時，會產(chǎn)生一個變化的交變磁場，該磁場又會在惠斯通全橋的輸出信號中疊加一個變化的感應(yīng)電動勢，從而會對測量精度產(chǎn)生影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種提高測量精度的具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的MEMS流體密度傳感器芯片及制備方法。本發(fā)明具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的MEMS流體密度傳感器芯片，該傳感器芯片為梯形硅微懸臂梁結(jié)構(gòu)，在該芯片的正面設(shè)置有固定端惠斯通全橋和振動端惠斯通全橋，該固定端惠斯通全橋和振動端惠斯通全橋關(guān)于芯片的中心線對稱。所述固定端惠斯通全橋和振動端惠斯通全橋的電阻條阻值相同；所述電阻條阻值在溫度下為500 Ω 3000 Ω ；所述芯片包括SOI硅片、在SOI硅片上采用離子注入技術(shù)進行硼摻雜而獲得的P 型摻雜硅、淀積在SOI硅片正面的氮化硅絕緣層、濺射形成在氮化硅絕緣層正面的金層，以及淀積在金層正面以及SOI硅片反面的氮化硅保護層。
本發(fā)明具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的MEMS流體密度傳感器芯片的制備方法包括以下步驟在SOI硅片的上層單晶硅層正面上采用離子注入技術(shù)進行硼摻雜，獲得P型單晶硅； 采用低壓氣相沉積技術(shù)在上層單晶硅層正面淀積0. 08 μ m 0. 16 μ m厚的氮化硅作為氮化硅絕緣層，然后在氮化硅絕緣層上采用反應(yīng)離子刻蝕RIE刻蝕出惠斯通全橋引線孔；采用濺射工藝在氮化硅絕緣層正面濺射0. 05 μ m 0. 2 μ m的金層，之后采用光刻工藝形成金引線和焊盤；在金層正面以及下層單晶硅反面分別采用低壓氣相沉積技術(shù)淀積0. 2 μ m 0. 3 μ m厚的氮化硅保護層；在下層單晶硅反面的氮化硅保護層上采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕出窗口，之后采用濕法刻蝕出背腔，刻蝕背腔時以上層單晶硅和下層單晶硅之間的二氧化硅層作為停止層；在上述得到的器件正面采用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)釋放懸臂梁，采用刻蝕技術(shù)露出焊盤；激光劃片，得到單個梯形硅微懸臂梁芯片。本發(fā)明具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的MEMS流體密度傳感器芯片及制備方法至少具有以下優(yōu)點在本發(fā)明與振動端惠斯通全橋關(guān)于梯形硅微懸臂梁芯片中心線對稱的固定端位置上布置固定端惠斯通全橋，當(dāng)梯形硅微懸臂梁芯片振動時，由于固定端惠斯通全橋處于固定端，因此其輸出值僅為交變電流I在其閉合回路內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，這樣將振動端惠斯通全橋電壓輸出值與固定端惠斯通全橋電壓輸出值做差即可得到由于梯形硅微懸臂梁芯片振動導(dǎo)致振動端惠斯通全橋的電阻條阻值變化而產(chǎn)生的輸出電壓。通過觀察此輸出電壓即可實時的檢測梯形硅微懸臂梁芯片的振動狀態(tài)。


圖1為本發(fā)明具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的MEMS流體密度傳感器芯片的平面結(jié)構(gòu)圖；圖2為圖1沿A-A向的剖視圖；圖3為本發(fā)明傳感器芯片的工作原理圖；圖4為本發(fā)明基于MEMS的具有雙惠斯通全橋?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)的梯形硅微懸臂梁芯片能減小系統(tǒng)誤差的原理圖。圖中的標(biāo)號如下表示
權(quán)利要求
1.具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的MEMS流體密度傳感器芯片，其特征在于該傳感器芯片為梯形硅微懸臂梁結(jié)構(gòu)，在該芯片的正面設(shè)置有固定端惠斯通全橋(15)和振動端惠斯通全橋(12)，該固定端惠斯通全橋(15)和振動端惠斯通全橋(12)關(guān)于芯片的中心線(13)對稱。
2.如權(quán)利要求1所述的具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的MEMS流體密度傳感器芯片，其特征在于所述固定端惠斯通全橋(15)和振動端惠斯通全橋(12)的電阻條阻值相同。
3.如權(quán)利要求2所述的具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的MEMS流體密度傳感器芯片，其特征在于所述電阻條阻值在溫度下為500 Ω 3000 Ω。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的MEMS流體密度傳感器芯片，其特征在于所述芯片包括SOI硅片、在SOI硅片上采用離子注入技術(shù)進行硼摻雜而獲得的P型摻雜硅04)、淀積在SOI硅片正面的氮化硅絕緣層(19)、濺射形成在氮化硅絕緣層正面的金層(23)，以及淀積在金層03)正面以及SOI硅片反面的氮化硅保護層 (18)。
5.具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的MEMS流體密度傳感器芯片的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)在SOI硅片的上層單晶硅層00)正面上采用離子注入技術(shù)進行硼摻雜，獲得P型單晶硅(24)；(2)采用低壓氣相沉積技術(shù)在上層單晶硅層00)正面淀積0.08μπι 0. 16 μ m厚的氮化硅作為氮化硅絕緣層(19)，然后在氮化硅絕緣層(19)上采用反應(yīng)離子刻蝕RIE刻蝕出惠斯通全橋引線孔05)；(3)采用濺射工藝在氮化硅絕緣層(19)正面濺射0.05 μ m 0. 2 μ m的金層Q3)，之后采用光刻工藝形成金引線(14)和焊盤(1 10，16，17)；(4)在金層正面以及下層單晶硅0 反面分別采用低壓氣相沉積技術(shù)淀積 0. 2μπι 0. 3μπι厚的氮化硅保護層(18)；(5)在下層單晶硅02)反面的氮化硅保護層上采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕出窗口，之后采用濕法刻蝕出背腔，刻蝕背腔時以上層單晶硅OO)和下層單晶硅0 之間的二氧化硅層作為停止層；(6)在步驟(5)得到的器件正面采用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)釋放懸臂梁，采用刻蝕技術(shù)露出焊盤(1 10，16，17)；(7)激光劃片，得到單個梯形硅微懸臂梁芯片。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有雙惠斯通全橋結(jié)構(gòu)的MEMS流體密度傳感器芯片及制備方法，在梯形硅微懸臂梁芯片正面設(shè)置于兩個關(guān)于梯形硅微懸臂梁芯片中心線對稱的惠斯通全橋，其中一個惠斯通全橋位于梯形硅微懸臂梁芯片的固定端，另一個惠斯通全橋位于梯形硅微懸臂梁芯片的振動端，本發(fā)明可以顯著減小傳統(tǒng)基于振動懸臂梁的流體密度傳感器的系統(tǒng)誤差。
文檔編號B81B3/00GK102353609SQ201110156059
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者劉志剛, 張桂銘, 王曉坡, 蔣莊德, 趙立波, 黃恩澤 申請人:西安交通大學(xué)