CN101738355A - 基于微机电系统技术的粘度传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于粘度传感器的基于MEMS技术的硅微悬臂梁式芯片及其制备方法，芯片结构为基于振动原理的三角形硅微悬臂梁结构，采用钛-铂-金梁式引线技术；本发明有很快的频率响应特性和极高的灵敏度，该MEMS粘度传感器测量范围为1mPa·s～100mPa·s、精度优于±5％FS，可以实现在静压值小于100MPa、环境温度-20℃～180℃下快速、在线、小样品量、准确地测量。

Description

基于微机电系统技术的粘度传感器芯片及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种微机电系统(MEMS)技术粘度传感器测量芯片，更确切地说，是一种用于粘度传感器的基于MEMS技术硅微悬臂梁式芯片及其制备方法。

背景技术：

测量流体粘度的方法有很多，典型的传统粘度测量方法有毛细管法、旋转法、落体法、振动法、平板法、粘度杯法等。基于这些粘度测量方法的粘度计种类也很多，但是在这些粘度计中有些制作困难，有些是测试条件较高。比如毛细管法，虽然制造和温度控制简单、实验操作方便、测量精度高、能够进行粘度的绝对测量，但是需要精心和频繁的维护，同时，对样品的纯度要求较高，此外不适宜非牛顿流体的测量；又比如旋转法，适用于牛顿型流体和非牛顿型流体、使用简单、测量快速方便、数据准确可靠、便于连续测量，通过调节转速可以测量不同剪切率下的流体粘度，但所需的硬件设备较多、结构复杂、价格昂贵。此外，传统的粘度测量方法在测量时，所需要的样品量一般较大，不能满足小样品量的测量要求，同时，还存在不能实时测量及输出的多为模拟量信号等缺点。

随着传感器技术、电子技术、MEMS技术、光学技术、流体力学、计算机技术、声学等科学的不断进步，有利地促进了流体粘度测量技术的发展，涌现出了新的粘度测量方法和装置。如采用热激励和压阻感应的原理制作的基于MEMS双金属热致动器的振动粘度计进行流体粘度的测量；基于声表面波和微流体技术或基于超声波技术进行流体粘度的测量；基于介质上电润湿技术进行流体粘度的测量；基于激光诱导表面张力波进行流体粘度的测量等，但以上技术仍处于探索研究阶段。

另外，采用MEMS技术制作的硅微粘度传感器并不多见，它具体为采用矩形(或U型)硅微悬臂梁的振动法进行流体粘度测量，在矩形悬臂梁上制作有环绕的铝线圈，线圈通交流电后，在固定磁场和一定粘度的流体中，由于交变电磁力的作用使矩形悬臂梁发生振动，通过检测悬臂梁的共振频率和品质因子实现被测流体粘度的在线测量。但是，由于矩形悬臂梁的灵敏度低、品质因子小，导致该类传感器的测量精度较低(±10％)；而且，所使用的铝线圈易被腐蚀，且无法在高温150℃以上的环境中应用，从而限制了传感器的使用温度范围和适用流体范围。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于粘度传感器的基于微机电系统技术的硅微悬臂梁式芯片，通过检测芯片悬臂梁的共振频率和品质因子实现被测流体粘度的在线测量，解决传统粘度测量方法中仪器笨重不便于移动、测试时间长、清洗困难，甚至是不能直接读数而需要换算，以及所需要的样品量较大，不能实时测量及输出的多为模拟量信号等缺点；同时，提高传感器的灵敏度和品质因子，提高其测量精度(优于±5％FS)，并实现高温(180℃以上)、高压(100MPa)下的流体粘度在线测量。

本发明的另一目的是提供一种基于微机电系统技术的粘度传感器芯片的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：一种基于微机电系统技术的粘度传感器芯片，包括N型单晶硅片及其上表面布置的二氧化硅隔离层、P型掺杂硅、氮化硅应力匹配层、线圈和内引线、氮化硅电气绝缘层、跳线、二氧化硅保护层和氮化硅保护层，其特征是芯片结构为基于振动原理的三角形硅微悬臂梁结构，所述的线圈和内引线为钛-铂-金梁式线圈和钛-铂-金梁式内引线，所述的跳线为钛-铂-金梁式跳线。

一种基于微机电系统技术的粘度传感器芯片的制备方法：采用高能氧离子注入(SIMOX)技术在N型单晶硅片正面0.1μm～0.2μm下形成0.3μm～0.4μm厚的二氧化硅隔离层；采用气相淀积(CVD)技术在硅片正面外延上层单晶硅厚度至0.4μm～2μm，之后采用离子注入技术对其进行硼掺杂获得P型掺杂硅，然后在硅片正面沿[110]晶向和[110]晶向采用等离子刻蚀(RIE)技术刻蚀P型掺杂硅，以获得构成惠斯通电桥的四个电阻R₁、R₂、R₃和R₄；采用低压气相淀积(LPCVD)技术在硅片正面淀积0.1μm～0.2μm厚的氮化硅作为应力匹配层；利用引线孔掩膜版，刻蚀硅片正面P型掺杂硅和氮化硅应力匹配层；采用溅射工艺在硅片正面淀积0.1μm～0.3μm厚的钛-铂-金梁式引线层，经过光刻后形成线圈和内引线；采用低压气相淀积技术在硅片正面淀积0.2μm～0.5μm厚的氮化硅作为电气绝缘层；利用掩膜版在电气绝缘层上刻蚀出跳线孔，再采用溅射工艺在硅片正面淀积0.3μm～0.8μm厚的钛-铂-金梁式跳线层，经过光刻后形成跳线；采用低压气相淀积技术在硅片正面淀积0.2μm～1μm厚的二氧化硅保护层和0.2μm～1μm厚的氮化硅保护层；采用湿法刻蚀技术在硅片背面进行背腔腐蚀至所设计的悬臂梁厚度；采用感应耦合等离子刻蚀(ICP)技术释放三角形硅微悬臂梁，之后再通过等离子刻蚀技术刻蚀出焊盘，最后经过划片得到所设计的基于MEMS技术的粘度传感器芯片的单个管芯。

所述的N型单晶硅片为双面抛光的N型(001)单晶硅片。

经过高能氧离子注入技术形成的均匀一致的隔离层二氧化硅，将上层的电路与基底硅隔离开，避免了电路层与硅基底之间因环境温度升高而造成的漏电流。钛-铂-金梁式引线技术，即与电阻条接触的金属为钛，钛与硅具有很小的接触电阻，容易形成良好的欧姆接触；中间的阻挡扩散金属为铂，具有好的抗腐蚀性；外界梁金属为金，因金梁容易键合，容易制造，且有较高的耐蚀性。采用钛-铂-金梁式引线解决了芯片的高温引线技术问题，所以由这种芯片封装而成的传感器具有耐高温的特性。

本发明基于振动原理的微悬臂梁式芯片采用三角形硅微悬臂梁结构。微悬臂梁型的传感器最重要的优点是具有极高的灵敏度，当然这与梁的材质以及形状是密切相关的。对于微悬臂梁而言，它的本征频率是一个相当重要的参数，因为它对传感器的频率响应特性和灵敏度有着非常大的影响。在同样的尺寸和材质条件下，经过理论计算和ANSYS模拟仿真分析可知三角形梁较矩形梁和U型梁有着较高的本征频率。本发明采用惠斯通电桥来检测硅微悬臂梁的振动，通过有限元软件对硅微悬臂梁进行应力仿真分析，并将惠斯通电桥置于硅微悬臂梁应力最大处，这样可使得惠斯通电桥输出最大，测量精度最高。

附图说明：

图1为本发明所述的矩形梁1、三角形梁2和U形梁3示意图；

图2为本发明所述的三角形硅微悬臂梁式芯片平面结构图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为本发明所述的三角形硅微悬臂梁式芯片工作原理图。

具体实施方式：

以下结合附图对矩形梁1、三角形梁2和U型梁3的本征频率，本发明所述的MEMS三角形硅微悬臂梁式芯片组成结构及制备过程，芯片工作原理作更加详细地说明。

参照图1，矩形梁1和三角形梁2的本征频率分别为：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{m^{*}}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{{\mathrm{Ebd}}^3}{4l^3\×0.24{\mathrm{\ρ}}_s\mathrm{bld}}}=0.1625\frac{d}{l^2}\sqrt{\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_s}}---\left(1\right)$

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{{\mathrm{\α}}_1}\sqrt{\frac{{\mathrm{Ed}}^2}{12{\mathrm{\ρ}}_s{l}^4}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{50.7358}\sqrt{\frac{{\mathrm{Ed}}^2}{12{\mathrm{\ρ}}_s{l}^4}}=0.3274\frac{d}{l^2}\sqrt{\frac{E}{{\mathrm{\ρ}}_s}}---\left(2\right)$

(其中：d为各悬臂梁的厚度；l为各悬臂梁的长度；E为各悬臂梁的杨氏模量；ρ_s为各悬臂梁的密度)。由公式(1)-(2)可知：悬臂梁的本征频率与梁的材质以及形状是密切相关的；在悬臂梁的尺寸(即悬臂梁的厚度和悬臂梁的长度)和材质相同的条件下，三角形梁2与矩形梁1相比，有着较高的本征频率，这点经过ANSYS模拟仿真分析可以得到证实。通过仿真分析还可以知道，三角形梁2与U型梁3相比，也有着较高的本征频率。

参照图3所示，MEMS三角形硅微悬臂梁式芯片包括N型(001)单晶硅片及其上表面布置的二氧化硅隔离层18、P型掺杂硅20、氮化硅应力匹配层17、钛-铂-金梁式线圈11和钛-铂-金梁式内引线13、氮化硅电气绝缘层16、钛-铂-金梁式跳线10、二氧化硅保护层15和氮化硅保护层14。参照图2所示，MEMS三角形硅微悬臂梁式芯片表面设有钛-铂-金线圈11和钛-铂-金内引线13、惠斯通电桥12、焊盘4、5、6、7、8、9、跳线10等。钛-铂-金线圈11共20～40圈，线宽10μm～30μm，引线间距10μm～30μm；钛-铂-金内引线13用于焊盘4、5、6、7、8、9与惠斯通电桥12及钛-铂-金线圈11之间的电气连接；惠斯通电桥12作为三角形硅微悬臂梁振动检测装置，主要作用是将硅微悬臂梁的振动信号转变为可测量的电信号输出，以获得硅微悬臂梁的振动频率，此处构成惠斯通电桥12的4个电阻R₁、R₂、R₃和R₄在T＝297K时阻值为3000～5000Ω(电阻条为2～4折结构，方块电阻为50～100Ω，长度为300～600μm，宽度为10μm～30μm)；振动三角形硅微悬臂梁式芯片共有六个焊盘4、5、6、7、8、9，其中四个焊盘4、5、6、7通过钛-铂-金内引线13与惠斯通电桥12相连接，另外两个焊盘8、9连接交流电源，通过钛-铂-金内引线13为钛-铂-金线圈11提供交流电。

参照图3，说明MEMS三角形硅微悬臂梁式芯片的工艺流程：

1)在双面抛光的N型(001)单晶硅片正面0.1μm～0.2μm下，采用高能氧离子注入(SIMOX)技术形成0.3μm～0.4μm厚的二氧化硅隔离层18；

2)采用气相淀积(CVD)技术在硅片正面外延上层单晶硅厚度至0.4μm～2μm，并采用离子注入技术对其进行硼掺杂获得P型掺杂硅20，然后在硅片正面沿[110]晶向和[110]晶向采用等离子刻蚀(RIE)技术刻蚀P型掺杂硅20，以获得构成惠斯通电桥的四个电阻R₁、R₂、R₃和R₄；

3)采用低压气相淀积(LPCVD)技术在硅片正面淀积0.1μm～0.2μm厚的氮化硅(Si₃N₄)应力匹配层17；

4)利用引线孔掩膜版，刻蚀硅片正面P型掺杂硅20和氮化硅应力匹配层17；

5)采用溅射工艺在硅片正面淀积0.1μm～0.3μm厚的钛-铂-金梁式引线层，经过光刻后形成线圈11和内引线13；

6)采用低压气相淀积(LPCVD)技术在硅片正面淀积0.2μm～0.5μm厚的氮化硅电气绝缘层16，然后再利用掩膜版在电气绝缘层16上刻蚀出跳线孔，并再次采用溅射工艺在硅片正面淀积0.3μm～0.8μm厚的钛-铂-金梁式跳线层，经过光刻后形成跳线10；

7)采用低压气相淀积(LPCVD)技术在硅片正面依次淀积0.2μm～1μm厚的二氧化硅保护层15和0.2μm～1μm厚的氮化硅保护层14；

8)采用湿法刻蚀技术在硅片背面进行背腔腐蚀至所设计的悬臂梁厚度；

9)采用感应耦合等离子刻蚀(ICP)技术释放三角形硅微悬臂梁21，再采用等离子刻蚀(RIE)技术刻蚀出焊盘；

10)最后经过划片得到所设计的基于MEMS技术的粘度传感器芯片的单个管芯。

其中，采用湿法刻蚀技术腐蚀单晶硅的背面所形成硅基底19的厚度为350μm～450μm；采用感应耦合等离子刻蚀技术所释放的三角形硅微悬臂梁21的长为0.5mm～4mm，宽度为0.5mm～4mm，厚度20μm～100μm。

参照图4，说明MEMS三角形硅微悬臂梁式芯片工作原理：

首先将芯片置于匀强磁场中，由于硅微悬臂梁此时没有受力，故悬臂梁静止，惠斯通电桥的理论输出电压为零；之后给线圈通入交流电，根据电磁学知识可知：

F＝BIL                   (3)

(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为线圈的有效长度)，此时三角形硅微悬臂梁受到交变的洛仑兹力的作用，硅微悬臂梁开始振动，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发生形变，电阻条阻值发生改变，电桥输出交变电压信号，经锁相放大器采集得到输出电压的幅值和频率。改变输入交变电流的频率，硅微悬臂梁振动频率改变，并导致电桥输出电压改变。当输入电流信号的频率与硅微悬臂梁在待测流体中的谐振频率相同时硅微悬臂梁将发生共振，此时惠斯通电桥的输出电压最大。通过检测惠斯通电桥最大输出电压所对应的频率值即可得到硅微悬臂梁在待测流体中的共振频率，利用流体粘度与振动三角形硅微悬臂梁共振频率的函数关系式：

$\mathrm{\η}=\frac{A_1}{\mathrm{\ρ}{f}^3}{(\frac{1}{Q}-\frac{1}{Q_{P=0}})}^2---\left(4\right)$

$\mathrm{\ρ}=\frac{A_{2}E{{\mathrm{\υ}}_n}^5{d}^3}{(1-{\mathrm{\σ}}^2)l^5{f}^2}-\frac{A_3{\mathrm{\ρ}}_{s}d{\mathrm{\υ}}_n}{l}---\left(5\right)$

(其中：η为待测流体的粘度；A₁、A₂、A₃为常数；ρ为待测流体的密度；f为硅微悬臂梁浸入待测流体中的共振频率；Q为硅微悬臂梁浸入待测流体中的品质因子；Q_P＝0为硅微悬臂梁在真空中的品质因子；E为硅微悬臂梁的杨氏模量；υ_n为常数；d为硅微悬臂梁的厚度；σ为泊松比；l为硅微悬臂梁的长度；ρ_s为硅微悬臂梁的密度)得到待测流体的粘度值。

本发明所能达到的主要技术指标如下：

1、测量介质：牛顿流体；

2、粘度测量范围：1mPa·s～100mPa·s；

3、精度：优于±5％FS；

4、工作温度：-20℃～180℃；

5、环境压力：静压值≤100MPa。

Claims (3)

1.一种基于微机电系统技术的粘度传感器芯片，包括N型单晶硅片及其上表面布置的二氧化硅隔离层、P型掺杂硅、氮化硅应力匹配层、线圈、内引线、氮化硅电气绝缘层、跳线、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三角形硅微悬臂梁结构，所述的线圈、内引线和跳线分别为钛-铂-金梁式线圈、钛-铂-金梁式内引线和钛-铂-金梁式跳线。

2.一种基于微机电系统技术的粘度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)在N型单晶硅片正面0.1μm～0.2μm下，采用高能氧离子注入技术形成0.3μm～0.4μm厚的二氧化硅隔离层；

2)采用气相淀积技术在硅片正面外延上层单晶硅厚度至0.4μm～2μm，并采用离子注入技术对其进行硼掺杂获得P型掺杂硅，然后在硅片正面沿[110]晶向和[110]晶向采用等离子刻蚀技术刻蚀P型掺杂硅，获得构成惠斯通电桥的四个电阻R₁、R₂、R₃和R₄；

3)采用低压气相淀积技术在硅片正面淀积0.1μm～0.2μm厚的氮化硅应力匹配层；

4)利用引线孔掩膜版，刻蚀硅片正面P型掺杂硅和氮化硅应力匹配层；

5)采用溅射工艺在硅片正面淀积0.1μm～0.3μm厚的钛-铂-金梁式引线层，经过光刻后形成线圈和内引线；

6)采用低压气相淀积技术在硅片正面淀积0.2μm～0.5μm厚的氮化硅电气绝缘层，然后再利用掩膜版在电气绝缘层上刻蚀出跳线孔，并再次采用溅射工艺在硅片正面淀积0.3μm～0.8μm厚的钛-铂-金梁式跳线层，经过光刻后形成跳线；

7)采用低压气相淀积技术在硅片正面依次淀积0.2μm～1μm厚的二氧化硅和0.2μm～1μm厚的氮化硅保护层；

8)采用湿法刻蚀技术在硅片背面进行背腔腐蚀至所设计的悬臂梁厚度；

9)采用感应耦合等离子刻蚀技术释放三角形硅微悬臂梁，采用等离子刻蚀技术刻蚀出焊盘；

10)最后经过划片得到所设计的基于微机电系统技术的粘度传感器芯片的单个管芯。

3.根据权利要求2所述的基于微机电系统技术的粘度传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述的N型单晶硅片为双面抛光的N型(001)单晶硅片。

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