CN102353609B - 具有双惠斯通全桥结构的mems流体密度传感器芯片及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片及制备方法，在梯形硅微悬臂梁芯片正面设置于两个关于梯形硅微悬臂梁芯片中心线对称的惠斯通全桥，其中一个惠斯通全桥位于梯形硅微悬臂梁芯片的固定端，另一个惠斯通全桥位于梯形硅微悬臂梁芯片的振动端，本发明可以显著减小传统基于振动悬臂梁的流体密度传感器的系统误差。

Description

具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片及制备方法

技术领域

本发明涉及一种密度传感器领域，更确切地说，是一种具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片及制备方法。

背景技术

密度是流体的一个重要的热物性参数，在众多领域中流体密度测量的准确性起着非常重要的作用。比如在石油工业中，原油的密度决定着输油管道的材质、尺寸以及原油提纯后续设备的选取；在医学领域中，人体血液的密度能反应人体的健康状况，如果能对人体血液密度进行实时监测，一些病症就有可能及早发现并利于及时治疗；在环保领域中，对河水密度的监测结果可以反应河水的污染情况，从而可以采取相应的保护措施。

随着微机电系统（Micro Electromechanical Systems，MEMS）技术的发展，基于微型振动悬臂梁结构的传感器因具有体积小、功耗低、成本低等优点而得到了广泛的研究。基于微型振动悬臂梁结构的传感器已经取得了一些初步的研究成果，这类传感器可以用于液体化学物质的检测、气体检测以及分子检测等。

基于微型振动悬臂梁的流体密度传感器的研究还处于起步阶段，它具体表现为基于矩形硅微悬臂梁的流体密度传感器，在悬臂梁上表面溅射铝线圈，将传感器置于匀强磁场中，铝线圈中通入交流电，在安培力作用下矩形硅微悬臂梁开始振动，根据在不同密度的流体中矩形硅微悬臂梁的谐振频率不同这一特性，建立起流体密度和悬臂梁谐振频率的方程式，实现流体密度的测量。当铝线圈中通入的交流电频率和悬臂梁的固有频率相等时，悬臂梁就会发生谐振，此时，矩形硅微悬臂梁上的惠斯通电桥的输出电压达到最大值，并以此来判断悬臂梁是否谐振。已知矩形悬臂梁的灵敏度较低，而且由于在铝线圈中通入频率可变的交流电时，会产生一个变化的交变磁场，该磁场又会在惠斯通全桥的输出信号中叠加一个变化的感应电动势，从而会对测量精度产生影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高测量精度的具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片及制备方法。

本发明具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片，该传感器芯片为梯形硅微悬臂梁结构，在该芯片的正面设置有固定端惠斯通全桥和振动端惠斯通全桥，该固定端惠斯通全桥和振动端惠斯通全桥关于芯片的中心线对称；所述芯片进一步包括有金引线和多个焊盘；所述振动端惠斯通全桥和固定端惠斯通全桥分别由四根电阻条组成；其中，振动端惠斯通全桥与固定端惠斯通全桥分别通过焊盘通入直流电，金引线通过焊盘通入交流电。

所述固定端惠斯通全桥和振动端惠斯通全桥的电阻条阻值相同；

所述电阻条阻值在温度298K下为500Ω～3000Ω；

所述芯片包括SOI硅片、在SOI硅片上采用离子注入技术进行硼掺杂而获得的P型掺杂硅、淀积在SOI硅片正面的氮化硅绝缘层、溅射形成在氮化硅绝缘层正面的金层，以及淀积在金层正面以及SOI硅片反面的氮化硅保护层。

本发明具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片的制备方法包括以下步骤：在SOI硅片的上层单晶硅层正面上采用离子注入技术进行硼掺杂，获得P型单晶硅；采用低压气相沉积技术在上层单晶硅层正面淀积0.08μm～0.16μm厚的氮化硅作为氮化硅绝缘层，然后在氮化硅绝缘层上采用反应离子刻蚀RIE刻蚀出惠斯通全桥引线孔；采用溅射工艺在氮化硅绝缘层正面溅射0.05μm～0.2μm的金层，之后采用光刻工艺形成金引线和焊盘；在金层正面以及下层单晶硅反面分别采用低压气相沉积技术淀积0.2μm～0.3μm厚的氮化硅保护层；在下层单晶硅反面的氮化硅保护层上采用反应离子刻蚀技术刻蚀出窗口，之后采用湿法刻蚀出背腔，刻蚀背腔时以上层单晶硅和下层单晶硅之间的二氧化硅层作为停止层；在上述得到的器件正面采用深反应离子刻蚀技术释放悬臂梁，采用刻蚀技术露出焊盘；激光划片，得到单个梯形硅微悬臂梁芯片。

本发明具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片及制备方法至少具有以下优点：在本发明与振动端惠斯通全桥关于梯形硅微悬臂梁芯片中心线对称的固定端位置上布置固定端惠斯通全桥，当梯形硅微悬臂梁芯片振动时，由于固定端惠斯通全桥处于固定端，因此其输出值仅为交变电流I在其闭合回路内产生的感应电动势，这样将振动端惠斯通全桥电压输出值与固定端惠斯通全桥电压输出值做差即可得到由于梯形硅微悬臂梁芯片振动导致振动端惠斯通全桥的电阻条阻值变化而产生的输出电压。通过观察此输出电压即可实时的检测梯形硅微悬臂梁芯片的振动状态。

附图说明

图1为本发明具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片的平面结构图；

图2为图1沿A-A向的剖视图；

图3为本发明传感器芯片的工作原理图；

图4为本发明基于MEMS的具有双惠斯通全桥对称结构的梯形硅微悬臂梁芯片能减小系统误差的原理图。

图中的标号如下表示：

1-10，26-27	焊盘	11	虚线
				12	振动端惠斯通全桥	13	中心线
14	金引线	15	固定端惠斯通全桥
				16	信号输入焊盘	17	信号输出焊盘
18	氮化硅保护层	19	氮化硅绝缘层
				20	上层单晶硅	21	二氧化硅层
22	下层单晶硅	23	金层
				24	P型掺杂硅	25	引线孔

具体实施方式

下面结合附图，对本发明具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片及制备方法做详细描述：

请参阅图1所示，本发明具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片主要包括焊盘1～10、振动端惠斯通全桥12、固定端惠斯通全桥15、金引线14、信号输入焊盘16和信号输出焊盘17。振动端惠斯通全桥12和固定端惠斯通全桥15关于芯片的中心线13对称，梯形硅微悬臂梁芯片的振动端为虚线11的右侧，固定端为虚线11的左侧。金引线14共30～60圈，线宽8μm～16μm，引线间距为10μm～20μm，全长12cm～15cm；振动端惠斯通全桥12用于将振动信号转化为电压信号输出；固定端惠斯通全桥不受悬臂梁振动的影响。振动端惠斯通全桥12和固定端的惠斯通全桥15分别由4根电阻条(298K时电阻阻值500Ω～3000Ω，方块电阻100Ω/□～200Ω/□，长度100μm～150μm，宽度10μm～20μm)组成。焊盘1～4接固定端惠斯通全桥15，焊盘5、6分别为金引线14中交流电的输入端和输出端，焊盘7～10接振动端惠斯通全桥12，梯形硅微悬臂梁芯片制造完成后需采用金丝引线键合工艺将信号输入焊盘16和信号输出焊盘17连接起来。

请参阅图2所示，本发明具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片的制备方法按照如下流程：

1）在SOI硅片的上层单晶硅层20正面上采用离子注入技术进行硼掺杂，获得P型单晶硅24；

2）采用低压气相沉积（LPCVD）技术在SOI硅片正面淀积0.08μm～0.16μm厚的氮化硅作为氮化硅绝缘层19，然后在氮化硅绝缘层19上采用反应离子刻蚀RIE刻蚀出惠斯通全桥引线孔25；

3）采用溅射工艺在氮化硅绝缘层19正面溅射0.05μm～0.2μm的金层23，之后采用光刻工艺形成金引线14和焊盘1～10，16，17；

4）在金层23正面以及下层单晶硅22反面分别采用LPCVD技术淀积0.2μm～0.3μm厚的氮化硅保护层18；

5）在下层单晶硅22反面的氮化硅保护层上采用反应离子刻蚀RIE技术刻蚀出窗口，之后采用湿法刻蚀出背腔，刻蚀背腔时以上层单晶硅20和下层单晶硅22之间的二氧化硅层21作为停止层；

6）在步骤5）得到的器件正面采用深反应离子刻蚀（DRIE）技术释放悬臂梁，采用RIE刻蚀技术露出焊盘1～10，16，17；

7）采用激光划片，得到单个梯形硅微悬臂梁芯片。

请参阅图3所示，本发明基于MEMS技术的具有双惠斯通全桥对称结构的梯形硅微悬臂梁芯片的工作原理为：

将基于MEMS的具有双惠斯通全桥对称结构的梯形硅微悬臂梁芯片置于匀强磁场B中，固定端惠斯通全桥15和振动端惠斯通全桥12通入直流电，当金引线14通入交流电I后，在安培力F的作用下，梯形悬臂梁开始振动。安培力的表达式如公式（1）

F=BIL     （1）

其中，L为线圈的有效长度，当通入交流电I的频率与梯形悬臂梁在流体中的谐振频率相同时，悬臂梁发生谐振，使得振动端惠斯通全桥电阻条处的应变达到最大，电阻条阻值变化最大，惠斯通全桥的输出电压最大，由于金引线中通入的交流电I频率是已知的，因此通过监测惠斯通全桥的输出电压即可知道梯形硅微悬臂梁芯片是否谐振。再根据方程（2）即可得到流体密度值。

$\mathrm{\ρ}=\frac{B_1}{f^2}-B_2---\left(2\right)$

其中ρ为流体密度值，B₁，B₂为两个常数，可通过已知流体进行标定，f为梯形悬臂梁的谐振频率。

然而，如果悬臂梁芯片只具有振动端惠斯通全桥12，其电压输出值无法精确的反应出构成惠斯通全桥12电阻条的应变情况，因为只要金引线14通入交流电，即使振动端惠斯通全桥12没有通入直流电，惠斯通全桥12依然有电压输出。原因在于，通入金引线14的交流电会在其周围空间产生变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会在闭合的振动端的惠斯通全桥12回路中产生感应电动势，因此当悬臂梁开始振动时，通过仪器实际检测到的惠斯通全桥12的输出电压包括两部分，一部分是由构成惠斯通全桥12的电阻阻值变化造成的输出电压，另一部分是金引线14中通入的交流电I产生的变化的磁场在振动端的惠斯通全桥12闭合回路中产生的感应电动势E，其表达式为

$E=\frac{\mathrm{\ΔB}}{\mathrm{\Δt}}S---\left(3\right)$

其中，

为惠斯通全桥闭合回路中磁通量的变化率，S为惠斯通全桥闭合回路的面积。

因此，振动端惠斯通全桥12的输出电压难以真实地反映梯形硅微悬臂梁芯片的振动情况。解决方案是在与振动端惠斯通全桥12关于梯形硅微悬臂梁芯片中心线对称的固定端位置上布置固定端惠斯通全桥15，虽然固定端惠斯通全桥15与振动端惠斯通全桥12从梯形硅微悬臂梁芯片正面看关于中心线完全对称，但是固定端惠斯通全桥15实际上处于梯形硅微悬臂梁芯片的固定端，而振动端惠斯通全桥12实际上处于梯形硅微悬臂梁芯片的振动端。当梯形硅微悬臂梁芯片振动时，由于固定端惠斯通全桥15处于固定端，因此其输出值仅为交变电流I在其闭合回路内产生的感应电动势，这样将振动端惠斯通全桥12电压输出值与固定端惠斯通全桥15电压输出值做差即可得到由于梯形硅微悬臂梁芯片振动导致振动端惠斯通全桥12的电阻条阻值变化而产生的输出电压。通过观察此输出电压即可实时的检测梯形硅微悬臂梁芯片的振动状态。

请参阅图4所示，振动端惠斯通全桥12和固定端惠斯通全桥15电压输出端的连接方式为：焊盘2和焊盘4为固定端惠斯通全桥15的电压输入端；焊盘8和焊盘10为振动端惠斯通全桥12的电压输入端；焊盘1和焊盘3为振动端惠斯通全桥12的电压输出端；焊盘7和焊盘9为固定端惠斯通全桥15的电压输出端；将焊盘1和焊盘7相连，引出焊盘26，将焊盘3和焊盘9相连，引出焊盘27，焊盘26和焊盘27作为双惠斯通全桥的电压输出端。

本发明所能达到的技术指标：

1、测量介质：牛顿流体；

2、密度测量范围：500Kg·m^-3～1500Kg·m^-3；

3、工作温度：-10℃～120℃；

4、环境压力：静压值≤50MPa；

5、测量精度：优于±5%FS

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片，其特征在于：该传感器芯片为梯形硅微悬臂梁结构，在该芯片的正面设置有固定端惠斯通全桥（15）和振动端惠斯通全桥（12），该固定端惠斯通全桥（15）和振动端惠斯通全桥（12）关于芯片的中心线（13）对称；振动端惠斯通全桥（12）用于将振动信号转化为电压信号输出；固定端惠斯通全桥不受悬臂梁振动的影响；所述芯片进一步包括有金引线（14）和多个焊盘（1～10）；所述振动端惠斯通全桥（12）和固定端惠斯通全桥（15）分别由四根电阻条组成；其中，振动端惠斯通全桥与固定端惠斯通全桥分别通过焊盘通入直流电，金引线通过焊盘通入交流电。

2.如权利要求1所述的具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片，其特征在于：所述固定端惠斯通全桥（15）和振动端惠斯通全桥（12）的电阻条阻值相同。

3.如权利要求2所述的具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片，其特征在于：所述电阻条阻值在温度298K下为500Ω～3000Ω。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片，其特征在于：所述芯片包括SOI硅片、在SOI硅片上采用离子注入技术进行硼掺杂而获得的P型掺杂硅（24）、淀积在SOI硅片正面的氮化硅绝缘层（19）、溅射形成在氮化硅绝缘层正面的金层（23），以及淀积在金层（23）正面以及SOI硅片反面的氮化硅保护层（18）。

5.一种基于权利要求1所述的具有双惠斯通全桥结构的MEMS流体密度传感器芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）在SOI硅片的上层单晶硅层（20）正面上采用离子注入技术进行硼掺杂，获得P型单晶硅（24）；

（2）采用低压气相沉积技术在上层单晶硅层（20）正面淀积0.08μm～0.16μm厚的氮化硅作为氮化硅绝缘层（19），然后在氮化硅绝缘层（19）上采用反应离子刻蚀RIE刻蚀出惠斯通全桥引线孔（25）；

（3）采用溅射工艺在氮化硅绝缘层（19）正面溅射0.05μm～0.2μm的金层（23），之后采用光刻工艺形成金引线（14）和焊盘（1～10，16，17）；

（4）在金层（23）正面以及下层单晶硅（22）反面分别采用低压气相沉积技术淀积0.2μm～0.3μm厚的氮化硅保护层（18）；

（5）在下层单晶硅（22）反面的氮化硅保护层上采用反应离子刻蚀技术刻蚀出窗口，之后采用湿法刻蚀出背腔，刻蚀背腔时以上层单晶硅（20）和下层单晶硅（22）之间的二氧化硅层（21）作为停止层；

（6）在步骤（5）得到的器件正面采用深反应离子刻蚀技术释放悬臂梁，采用刻蚀技术露出焊盘（1～10，16，17）；

（7）激光划片，得到单个梯形硅微悬臂梁芯片。

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