CN101718667A - 基于微机电系统技术的密度传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于微机电系统技术的悬臂梁式密度传感器芯片及其制备方法，所述芯片为采用基于振动原理的梯形硅微悬臂梁结构，引线采用钛-铂-金梁式引线，增设钛-铂-金梁式飞线，采用梯形结构具有高灵敏度的优点，采用钛-铂-金梁式引线，和现有技术铝质引线相比具有耐腐蚀、耐高温、发热量小等优点，采用钛-铂-金飞线，实现引线的单入单出，保证了引线内电流处处相等，从而保证了其放入磁场后在整个MEMS振动悬臂梁芯片的磁场力均匀分布。

Description

基于微机电系统技术的密度传感器芯片及其制备方法

技术领域：

本发明涉及密度传感器领域，特别是一种采用微机电系统(MEMS)技术的振动悬臂梁结构的密度传感器芯片及其制备方法。

背景技术：

传统的流体密度测量方法主要根据阿基米德定律或者流体压力公式通过测量力(浮力或者水压)来得到流体的密度。主要方法有力敏法、差压法、浮力法、静力平衡法等，基于这些方法的密度传感器也有很多，这些传感器具有结构简单，量程较宽，稳定性好等特点，但是这些传感器有些是精度不高，有些是设备昂贵，并且大都采用现场取样，然后实验室测量的方式，难以实现实时在线测量。新近发展的流体密度测量方法主要有振动管法和石英晶体法。前者利用振动管通入流体后的谐振频率改变得到被测流体的密度值，此方法需要的流体量很小，但只能进行静态测量且振动管制造复杂，成本高；后者利用石英晶体的逆压电效应，根据浸入流体前后的谐振频率的改变得到流体密度值，此方法的灵敏度较高，但不适用于粘度较大的流体密度测量。

随着MEMS技术与传感器技术的发展，国际上已经出现基于矩形悬臂梁的MEMS密度传感器，测量原理是根据悬臂梁浸入流体前后的谐振频率的改变得到流体的密度值，具有可在线测量的优点。但是，矩形悬臂梁的低灵敏度直接导致其密度测量误差高(±10％)；而且所使用的铝质引线很容易在传感器制造和使用时遭到腐蚀，导致传感器成品率低、可靠性差；引线在转弯处呈直角导致其引线通电后置于磁场中受到的洛仑兹力在整个悬臂梁呈不均匀分布，影响传感器的使用寿命。

发明内容：

针对现有技术所存在的问题，本发明的目的在于通过MEMS技术与密度传感器技术结合，提供一种可实时在线测量、精度高、成本低的悬臂梁式密度传感器芯片。

本发明的另一个目的在于提供一种基于微机电系统技术的悬臂梁式密度传感器芯片的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

基于微机电系统技术的悬臂梁式密度传感器芯片，包括上下两层单晶硅及两层单晶硅之间设置的二氧化硅层，上层单晶硅包含有电阻层，上层单晶硅的表面布置有氮化硅应力匹配层、引线、氮化硅遮蔽层、二氧化硅保护层和氮化硅保护层，下层单晶硅的表面布置有二氧化硅保护层和氮化硅保护层，其特征是所述的芯片为基于振动原理的梯形硅微悬臂梁结构芯片，所述氮化硅遮蔽层上设有飞线，所述引线为钛-铂-金梁式引线。

所述的飞线为钛-铂-金梁式飞线。

一种基于微机电系统技术的悬臂梁式密度传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取(100)N型双面抛光的SOI硅片，要求30～50μm的上层单晶硅，200～400μm的下层单晶硅，两层中间为0.5～1μm的二氧化硅；

2)先后采用质量百分比浓度≥70％的浓硫酸、1号清洗液、2号清洗液对硅片进行清洗，每种溶液清洗三遍，并用去离子水冲洗干净，1号清洗液组份体积比为NaOH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶6，2号清洗液组份体积比为HCL∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶8；

3)采用局部硼扩散工艺获得P型电阻10，厚度为0.5～1.5μm，在800℃条件下进行预淀积，在1200℃条件下进行再分布，扩散时间为60分钟，之后利用低压气相淀积技术沉积0.1～0.3μm的氮化硅层；

4)利用离子刻蚀技术得到引线孔；

5)用真空蒸发与溅射法在正面形成0.2～0.3μm钛-铂-金引线层，光刻形成钛-铂-金梁式引线；

6)采用低压气相淀积技术沉积0.2～0.3μm氮化硅遮蔽层；采用离子刻蚀技术在飞线两边刻蚀两个引线孔，在桥路上采用真空蒸发与溅射法形成0.3～0.6μm的飞线；

7)双面生长0.1～0.2μm的二氧化硅和0.3～0.6μm的氮化硅，以便在各向异性腐蚀中起到保护作用；

8)等离子刻蚀在背面刻出窗口；

9)在100℃下采用40％KOH腐蚀溶液，进行各向异性腐蚀，二氧化硅层作为停止层；

10)采用等离子体刻蚀技术刻蚀出焊盘，之后刻出V型槽，释放悬臂梁；

11)划片，形成单个管芯。

本发明是依据振动原理设计出具有梯形悬臂梁结构的传感器芯片，并采用有限元分析的方法确定电阻条的最优安放位置，解决了传统密度计笨重，校准困难，测试时间长，对样品要求高等缺点；也解决了基于矩形MEMS悬臂梁结构的密度传感器灵敏度低的缺点。使用硅绝缘(SOI)晶片制造悬臂梁芯片，二氧化硅层作为背腔腐蚀的终止层保证了批量制造的成品率。在SOI晶片顶层硅上进行局部硼掺杂形成4个电阻条构成惠斯通电桥；采用低压气相淀积(LPCVD)技术外延氮化硅保护层；采用离子刻蚀(RIE)技术刻出引线孔；采用真空蒸发和离子溅射形成钛-铂-金梁式引线；通过湿法刻蚀制作出所需的硅杯背腔结构；通过等离子刻蚀技术释放悬臂梁，制备出振动悬臂梁式MEMS微型密度传感器敏感芯片。

本发明的MEMS振动悬臂梁密度传感器芯片基于SOI技术制造，采用梯形结构具有高灵敏度的优点。刻制在芯片上的惠斯通电桥的电阻条采用2～4折结构，通过有限元分析确定其最佳安装位置，具有灵敏度高的优点。本发明的MEMS振动悬臂梁密度传感器芯片采用钛-铂-金梁式引线，和现有技术中铝质引线相比具有耐腐蚀、耐高温、发热量小等优点。采用钛-铂-金飞线，实现引线的单入单出，保证了引线内电流处处相等，从而保证了其放入磁场后在整个MEMS振动悬臂梁芯片的磁场力均匀分布。

附图说明：

图1为本发明实施例中悬臂梁式密度传感器芯片平面结构示意图；

图2为本发明实施例中悬臂梁式密度传感器芯片的层结构示意图；

图3为本发明实施例中悬臂梁式密度传感器芯片工作原理示意图；

图4为本发明实施例中悬臂梁式密度传感器芯片制备工艺流程示意图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的结构、制备方法及工作原理作更详细的说明。

如图1、图2所示，本发明提供的悬臂梁式密度传感器芯片为基于振动原理的梯形硅微悬臂梁结构芯片，包括上下两层单晶硅16、19及两层单晶硅之间设置的二氧化硅层17，上层单晶硅16包含有电阻层14，上层单晶硅16的表面布置有氮化硅应力匹配层11、钛-铂-金梁式引线10、氮化硅遮蔽层12、二氧化硅保护层13和氮化硅保护层15，氮化硅遮蔽层12上设有钛-铂-金梁式飞线9，下层单晶硅19的下表面布置有二氧化硅保护层18和氮化硅保护层20。钛-铂-金梁式引线共25～50圈，线宽10～15μm，间距15～20μm。悬臂梁长L＝1.5～3mm，宽I＝1～3mm，厚h＝30～50μm。电阻条沿[110]晶向和[110]晶向布置，阻值3000～6000Ω(每根电阻条长300～400μm、宽10～20μm、方块电阻为20～80Ω/□、采用2～3折结构，每折电阻条间距10～15μm)；四根电阻条组成惠斯通电桥8。芯片表面还设有钛-铂-金梁式引线10、钛-铂-金梁式飞线9和焊盘1、2、3、4、5、6。

惠斯通电桥作为信号检测与转换装置，主要的作用是将悬臂梁的振动信号转变为可测量的电信号输出，通过模拟仿真将其置于悬臂梁谐振时最大应变的位置以获得最优输出信号。芯片总共包括六个焊盘，其中1～4焊盘与惠斯通电桥相连接，5～6焊盘连接交流电源，为钛-铂-金梁式引线提供交流电。

参照图3所示，本发明的测量原理：首先将芯片置于匀强磁场中，惠斯通电桥采用恒流源通入直流电，此时悬臂梁静止，电桥输出电压为零；给钛-铂-金梁式引线通入交流电，根据F＝BIL(其中：F为三角形硅微悬臂梁所受的洛伦兹力；B为施加给三角形硅微悬臂梁的外部匀强磁场；I为施加给三角形硅微悬臂梁上线圈的交变电流；L为线圈的总长度)，此时悬臂梁上的钛-铂-金梁式引线将受到交变的洛仑兹力的作用，悬臂梁开始振动，振动频率和输入交变电流的频率相同，振动使得构成惠斯通电桥的电阻将发生形变，电阻条阻值发生改变，电桥将输出交变电压信号，经锁相放大器采集输出电压的幅值和频率；改变输入交变电流的频率，悬臂梁振动频率改变，电桥输出电压改变，当输入电流信号的频率和悬臂梁在流体中的谐振频率相同时悬臂梁将发生谐振，电桥的输出电压最大。因此，检测惠斯通电桥最大输出电压对应的频率值即可得到悬臂梁在特定流体中的谐振频率，利用流体密度与振动悬臂梁谐振频率的函数关系式：

${\mathrm{\ρ}}_f=\frac{A_{1}E{h}^3}{(1-{\mathrm{\σ}}^2)L^5{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2}-\frac{A_2{\mathrm{\ρ}}_{s}h}{L}---\left(1\right)$

(ρ_f为流体密度，E为悬臂梁杨氏模量，σ为泊松比，f为悬臂梁在流体中的谐振频率，ρ_s为悬臂梁材料密度，L为悬臂梁长度，h为悬臂梁厚度，A₁、A₂为两个常数。)得到流体的密度值。

参照图2、图4所示，说明本发明的制备工艺流程。

1)选取(100)N型双面抛光的4英寸SOI硅片，要求正面为30～50μm单晶硅16，反面为200～400μm单晶硅19，中间为0.5～1μm的二氧化硅隔离层17，整体结构如图3A；

2)先后采用质量百分比浓度≥70％浓硫酸、1号清洗液、2号清洗液对硅片进行清洗，每种溶液清洗三遍，并用去离子水冲洗干净；1号清洗液组份体积比为NaOH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶6，2号清洗液组份体积比为HCL∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶8；

3)采用局部硼扩散工艺获得P型电阻14，厚度为0.5～1.5μm。在800℃条件下进行预淀积，在1200℃条件下进行再分布，扩散时间为60分钟。之后利用低压气相淀积(LPCVD)技术沉积0.1～0.3μm的氮化硅应力匹配层11，整体结构如图3B；

4)利用离子刻蚀技术得到引线孔，如图3C；

5)用真空蒸发与溅射法在正面形成0.2～0.3μm钛-铂-金引线层，光刻形成钛-铂-金梁式引线10，整体结构如图3D；

6)采用低压气相淀积(LPCVD)技术沉积0.2～0.3μm氮化硅遮蔽层12，采用离子刻蚀技术在飞线两边刻蚀两个引线孔，如图3F；在桥路上采用真空蒸发与溅射法形成0.3～0.6μm的飞线9，整体结构如图3G；

7)正反两面生长0.1～0.2μm的二氧化硅保护层13，18；之后在正反两面的二氧化硅保护层上生长0.3～0.6μm的氮化硅保护层15，20，以便在各向异性腐蚀中起到保护作用，整体结构如图3H；

8)等离子刻蚀在反面刻出窗口，如图3I；

9)在100℃下采用40％KOH腐蚀溶液，进行各向异性腐蚀，二氧化硅隔离层17作为停止层；

10)采用等离子刻蚀技术刻蚀出焊盘，之后刻出V型槽，释放悬臂梁；

11)划片，形成单个管芯。

本发明所达到的技术指标：

测量介质：牛顿流体；

密度测量范围：600Kg·m^-3～1200Kg·m^-3；

工作温度：-10℃～150℃；

环境压力：静压值≤50MPa。

Claims (3)

1.基于微机电系统技术的密度传感器芯片，包括上下两层单晶硅及两层单晶硅之间设置的二氧化硅层，上层单晶硅包含有电阻层，上层单晶硅的表面布置有氮化硅应力匹配层、引线、氮化硅遮蔽层、二氧化硅保护层和氮化硅保护层，下层单晶硅的表面布置有二氧化硅保护层和氮化硅保护层，其特征在于，所述的芯片为基于振动原理的梯形硅微悬臂梁结构芯片，所述氮化硅遮蔽层上设有飞线，所述引线为钛-铂-金梁式引线。

2.根据权利要求1所述的基于微机电系统技术的密度传感器芯片，其特征在于，所述的飞线为钛-铂-金梁式飞线。

3.一种基于微机电系统技术的密度传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取(100)N型双面抛光的SOI硅片，要求30～50μm的上层单晶硅，200～400μm的下层单晶硅，两层中间为0.5～1μm的二氧化硅；

2)先后采用质量百分比浓度≥70％浓硫酸、1号清洗液、2号清洗液对硅片进行清洗，每种溶液清洗三遍，并用去离子水冲洗干净，1号清洗液组份体积比为NaOH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶6，2号清洗液组份体积比为HCL∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶8；

3)采用局部硼扩散工艺获得P型电阻，厚度为0.5～1.5μm，在800℃条件下进行预淀积，在1200℃条件下进行再分布，扩散时间为60分钟，之后利用低压气相淀积技术沉积0.1～0.3μm的氮化硅层；

4)利用离子刻蚀技术得到引线孔；

5)用真空蒸发与溅射法在正面形成0.2～0.3μm钛-铂-金引线层，光刻形成钛-铂-金梁式引线；

6)采用低压气相淀积技术沉积0.2～0.3μm氮化硅遮蔽层；采用离子刻蚀技术在飞线两边刻蚀两个引线孔，在桥路上采用真空蒸发与溅射法形成0.3～0.6μm的飞线；

7)双面生长0.1～0.2μm的二氧化硅和0.3～0.6μm的氮化硅，以便在各向异性腐蚀中起到保护作用；

8)等离子刻蚀在背面刻出窗口；

9)在100℃下采用40％KOH腐蚀溶液，进行各向异性腐蚀，二氧化硅层作为停止层；

10)采用等离子体刻蚀技术刻蚀出焊盘，之后刻出V型槽，释放悬臂梁；

11)划片，形成单个管芯。

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