本發(fā)明涉及mems(microelectromechanicalsystems，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(guó)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。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：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(zhǎng)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ηf為：其中，ηf與ρf分別為待測(cè)流體的測(cè)量黏度和測(cè)量密度，c為常數(shù)，ff為h型雙端固支梁在流體中的諧振頻率，qf和qvac分別為h型雙端固支梁在被測(cè)流體和真空環(huán)境中的品質(zhì)因子；被測(cè)流體的密度ρf為：其中，f為h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)的本征頻率，h、l和ρc分別為h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)的厚度、長(zhǎng)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(jié)構(gòu)的楊氏模量，ffluid為h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)在被測(cè)流體中的諧振頻率。進(jìn)一步的，公式(1)中將ηf與ρf替換為待測(cè)液體的參考值，其它參數(shù)代入測(cè)試值，計(jì)算出常數(shù)c。進(jìn)一步的，所述硅基底底部外加磁鐵，用于為傳感器芯片提供外界恒定磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于傳感器芯片平面。進(jìn)一步的，所述基于面內(nèi)諧振的mems流體黏度傳感器芯片能夠?qū)崿F(xiàn)面內(nèi)振動(dòng)，且與被測(cè)流體之間為滑膜阻尼。進(jìn)一步的，所述振子為矩形截面質(zhì)量塊，測(cè)量時(shí)在流體中進(jìn)行面內(nèi)振動(dòng)，振動(dòng)方向平行于傳感器芯片平面。進(jìn)一步的，兩根導(dǎo)線中一根導(dǎo)線通入正弦交變電流，則所在的彈性固支梁在恒定磁場(chǎng)內(nèi)受交變洛倫茲力做面內(nèi)振動(dòng)，振動(dòng)方向平行于傳感器芯片平面，并帶動(dòng)振子和另一側(cè)固支梁產(chǎn)生受迫振動(dòng)；另一根導(dǎo)線在磁場(chǎng)中切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。進(jìn)一步的，兩根導(dǎo)線的末端均設(shè)有焊盤，焊盤布置于硅基底上，用于和外接電路的連接。進(jìn)一步的，h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)和硅基底上表面覆蓋一層氮化硅絕緣保護(hù)層。進(jìn)一步的，振子和設(shè)置于振子兩側(cè)的四個(gè)彈性固支梁由單晶硅制成。一種基于面內(nèi)諧振的mems流體黏度傳感器芯片的制備方法，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、二氧化硅埋層和下層單晶硅；2)在900℃～1200℃下對(duì)soi片進(jìn)行雙面氧化，得到二氧化硅層；3)采用rie等離子刻蝕技術(shù)去除soi片頂層的部分二氧化硅層，裸露出與導(dǎo)線形狀相同的部分上層單晶硅，然后在soi片頂層表面濺射制作金屬層，再采用剝離工藝形成傳感器芯片的金屬導(dǎo)線；4)采用drie深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，在soi片正面形成結(jié)構(gòu)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(nèi)諧振的mems流體黏度傳感器芯片。本發(fā)明一種基于面內(nèi)諧振的mems流體黏度傳感器芯片至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的mems流體黏度傳感器芯片采用面內(nèi)振動(dòng)方式，h型雙端固支梁與流體之間的阻尼類型為滑膜阻尼，相比傳統(tǒng)諧振器與流體間的壓膜阻尼，流體阻尼力顯著減小，有利于提高mems黏度傳感器的品質(zhì)因子，實(shí)現(xiàn)高黏度流體的準(zhǔn)確測(cè)量，黏度測(cè)量范圍可達(dá)1mpa·s～100mpa·s；可用于非牛頓流體的黏度測(cè)量，并有良好的測(cè)量精度與靈敏度。該流體黏度傳感器芯片能夠?qū)崿F(xiàn)面內(nèi)諧振和高黏度流體的黏度測(cè)量，測(cè)量精度優(yōu)于±1％fs。附圖說明圖1為本發(fā)明一種基于面內(nèi)諧振的mems流體黏度傳感器芯片的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本發(fā)明h型雙端固支梁結(jié)構(gòu)的面內(nèi)振動(dòng)示意圖。圖3為本發(fā)明一種基于面內(nèi)諧振的mems流體黏度傳感器芯片的制備工藝流程圖。圖中標(biāo)號(hào)如下所示：具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖，并通過實(shí)例，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施作進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。由圖1可知，本發(fā)明一種基于面內(nèi)諧振的mems流體黏度傳感器芯片，包括基于振動(dòng)原理的h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)和硅基底6，h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)包括振子1、彈性固支梁2～5、導(dǎo)線7～8以及焊盤9～12，該黏度傳感器芯片能夠?qū)崿F(xiàn)面內(nèi)振動(dòng)，與被測(cè)流體之間為滑膜阻尼，顯著減小流體阻尼作用力，提高黏度傳感器的品質(zhì)因子與測(cè)量精度。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(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于芯片平面；兩根導(dǎo)線7～8分別布置在振子1兩側(cè)的彈性固支梁2～5上，將其中一根導(dǎo)線通入一定頻率的正弦交變電流，則所在的固支梁在恒定磁場(chǎng)內(nèi)受交變洛倫茲力作用而做面內(nèi)振動(dòng)，振動(dòng)方向平行于芯片平面，并帶動(dòng)振子1和另一側(cè)固支梁產(chǎn)生受迫振動(dòng)，則另一根導(dǎo)線在磁場(chǎng)中切割磁感線從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；改變通入正弦交變電流的頻率使得浸入被測(cè)流體中的h型固支梁發(fā)生諧振，根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的輸出幅值大小即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。結(jié)合圖2進(jìn)一步可知，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，實(shí)現(xiàn)h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)的面內(nèi)振動(dòng)，且與流體之間為滑膜阻尼，有效降低與被測(cè)流體間的諧振阻尼；利用comsol有限元仿真得到h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)在正庚烷流體中的品質(zhì)因子可達(dá)277.28，具有較高品質(zhì)因子，有利于對(duì)高黏度流體的準(zhǔn)確測(cè)量。半功率法確定品質(zhì)因子q為：其中，f為h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)的諧振頻率，δf是半功率峰寬(可以通過h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)的諧振曲線擬合得到)。基于面內(nèi)諧振的mems流體黏度傳感器芯片的測(cè)量工作方程滿足：其中，ηf與ρf分別為待測(cè)流體的測(cè)量黏度和測(cè)量密度，c為常數(shù)，ff為h型雙端固支梁在流體中的諧振頻率，qf和qvac分別為h型雙端固支梁在流體和真空環(huán)境中的品質(zhì)因子。上式中，將ηf與ρf替換為待測(cè)液體的參考值，其它參數(shù)代入測(cè)試值，便可以計(jì)算出常數(shù)c。被測(cè)流體的密度ρf為：其中，f為h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)的本征頻率，h、l和ρc分別為h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)的厚度、長(zhǎng)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(jié)構(gòu)的楊氏模量，ffluid為h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)在被測(cè)流體中的諧振頻率。h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)為：其中，w1為h型硅微雙端固支梁結(jié)構(gòu)寬度；w2為彈性固支梁的寬度；l1為彈性固支梁的長(zhǎng)度；l2為振子的長(zhǎng)度；w＝w2；l1+l1+l2＝l。使用comsol有限元仿真軟件對(duì)h型雙端固支梁建立流固耦合仿真模型，使用壓力聲學(xué)物理場(chǎng)模擬流體環(huán)境，h型雙端固支梁為單晶硅材料，流體參數(shù)選用常見的醇類及烷類：乙醇、正庚烷、正己烷、正辛烷。仿真結(jié)果為：流體諧振頻率f(khz)品質(zhì)因子q乙醇15.75196.88正庚烷16.37277.28正己烷16.81240.14正辛烷16.43273.83由仿真結(jié)果可以看出，本發(fā)明提出的一種基于面內(nèi)諧振的mems流體黏度傳感器芯片具有較高的品質(zhì)因子，有利于提高流體黏度的測(cè)量范圍和測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)高黏度流體的黏度測(cè)量。結(jié)合圖3，說明一種基于面內(nèi)諧振的mems流體黏度傳感器芯片的制備工藝流程：1)參照?qǐng)D3中a，使用hf溶液清洗的soi硅片，soi硅片為p型(100)晶面；所述soi硅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)參照?qǐng)D3中b，在900℃～1200℃下進(jìn)行雙面氧化硅片，在soi硅片兩面均得到二氧化硅層16的厚度約為0.3μm；3)參照?qǐng)D3中c，采用rie等離子刻蝕技術(shù)去除硅片頂層的部分氧化硅層16，裸露出與導(dǎo)線、焊盤形狀相同的部分上層單晶硅13，然后在單晶硅表面濺射制作厚度為500nm的al金屬層或其他結(jié)構(gòu)的金屬層17，再采用剝離(lift-off)工藝形成傳感器芯片的金屬導(dǎo)線7～8和焊盤9～12；4)如圖3中d所示，采用drie深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，在硅片正面形成結(jié)構(gòu)層；5)如圖3中e所示，使用koh濕法工藝刻蝕背腔至自停止層(二氧化硅埋層14)；6)如圖3中f所示，采用hf緩沖溶液濕法刻蝕，釋放h形雙端固支梁；7)在芯片正面上上沉積氮化硅17進(jìn)行絕緣保護(hù)，用以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電、腐蝕性等復(fù)雜流體的黏度測(cè)量，且在焊盤9～12處刻蝕掉相應(yīng)的氮化硅，實(shí)現(xiàn)電氣連接。本發(fā)明的主要技術(shù)指標(biāo)如下：1、測(cè)量介質(zhì)：牛頓和非牛頓流體；2、黏度測(cè)量范圍：1mpa·s～100mpa·s；3、測(cè)量精度：優(yōu)于±1％fs；4、工作溫度：-25℃～120℃；5、環(huán)境壓力：≤100mpa。以上所述僅為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，不是全部或唯一的實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。當(dāng)前第1頁12