CN102636411B - 一种复合式mems密度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合式MEMS密度传感器，包括驱动芯片和设置于驱动芯片上的悬臂梁芯片；所述悬臂梁芯片上布置有方形螺旋线圈和惠斯通全桥；所述驱动芯片上布置有圆形螺旋线圈；圆形螺旋线圈的中心与方形螺旋线圈的中心相对。通过施加恒定电流使圆形螺旋线圈产生驱动磁场；悬臂梁芯片置于驱动芯片产生的驱动磁场中，方形螺旋线圈通入交变电流时，悬臂梁芯片在洛仑兹力的作用下开始振动，通过检测悬臂梁芯片在不同密度液体中的谐振频率来实现密度的测量。悬臂梁芯片和驱动芯片通过硅硅键合技术封接在一起，可以有效减小传感器的封装尺寸；驱动磁场由圆形螺旋线圈通入恒定电流产生，通过改变恒定电流的大小可以快速有效地改变驱动磁场的磁感应强度。

Description

一种复合式MEMS密度传感器

技术领域

本发明涉及MEMS密度传感器领域，特别是一种复合式MEMS密度传感器。

背景技术

密度作为物质的重要物性参数之一，世界上许多国家，如英国、美国、德国、日本等，对于密度测量和应用都进行了深入的研究，并开发出一系列密度测量产品，主要的测量产品有射线式密度计、浮子式密度计、声学式密度计、振动管式密度计。

其中，射线式密度计根据γ射线穿过物质时γ射线的强度与被测物质的密度之间满足的指数函数关系，通过测量γ射线的强度变化，计算得到被测物质的密度，适用于各种恶劣工况条件的测量，但是测量范围窄，精度较差。浮子式密度计基于阿基米德定律，通过直接或间接测得液体中浮子所受的浮力，计算得到液体的密度，其组成相对复杂，浮子存在热胀冷缩现象，测量精度较低。振动管式密度计的基本原理是基于系统的固有频率与其质量的关系，可以实现在线连续测量，具有稳定性好、分辨率高、测量精度高，但其结构复杂，生产成本昂贵。

随着传感器技术和MEMS技术等学科的不断进步，出现了一些基于MEMS技术的振动悬臂梁芯片流体密度传感器，其原理为：当振动悬臂梁芯片浸入不同类别的流体时谐振频率发生变化，即悬臂梁芯片的谐振频率由流体的密度所决定，不同的流体密度所对应的悬臂梁芯片的谐振频率也不同。因此，通过测定悬臂梁芯片的谐振频率即可求出待测流体的密度，可以实现在线连续测量，具有稳定性好、测量精度较高。一般，基于MEMS技术的振动悬臂梁芯片密度传感器若采用磁场力进行驱动，驱动磁场大部分是由永磁铁或螺线管来提供，这样会使传感器的封装尺寸变大，不利于传感器结构的微型化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合式MEMS密度传感器，以解决传感器封装尺寸较大的问题，扩展MEMS密度传感器的应用范围。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种复合式MEMS密度传感器，包括驱动芯片和设置于驱动芯片上的悬臂梁芯片；所述悬臂梁芯片上布置有方形螺旋线圈和惠斯通全桥；所述驱动芯片上布置有圆形螺旋线圈；圆形螺旋线圈的中心与方形螺旋线圈的中心相对。

优选的，驱动芯片上布置有第一焊盘和第二焊盘；第一焊盘连接圆形螺旋线圈的外周一端，第二焊盘连接圆形螺旋线圈的中心一端。

优选的，第一焊盘和第二焊盘通入恒定电流。

优选的，悬臂梁芯片上设有连接方形螺旋线圈外周一端的第三焊盘和连接方形螺旋线圈中心一端的第四焊盘。

优选的，第三焊盘和第四焊盘通入交变电流。

优选的，所述惠斯通全桥由4个电阻值相同的电阻条组成，该惠斯通全桥布置在悬臂梁芯片一阶谐响应发生最大应变位置处。

优选的，所述4个电阻值相同的电阻条包括第一电阻条、第二电阻条、第三电阻条和第四电阻条；第一电阻条和第四电阻条垂直于悬臂梁芯片的长度方向布置，第二电阻条和第三电阻条平行于悬臂梁芯片的长度方向布置；所述悬臂梁芯片上设有四个连接所述惠斯通全桥的焊盘，包括第五焊盘、第六焊盘、第七焊盘和第八焊盘；第五焊盘连接第三电阻条和第四电阻条，第六焊盘连接第三电阻条和第一电阻条，第七焊盘连接第一电阻条和第二电阻条，第八焊盘连接第二电阻条和第四电阻条；第五焊盘和第七焊盘通入恒定电流。

优选的，悬臂梁芯片包括布置方形螺旋线圈和惠斯通全桥的第一硅基底；驱动芯片包括布置圆形螺旋线圈的第二硅基底；第一硅基底和第二硅基底封装时采用硅硅键合技术封装。

优选的，悬臂梁芯片包括连接驱动芯片的固定端和由固定端延伸出的悬臂端；所述方形螺旋线圈设置于所述悬臂端上。

本发明一种复合式MEMS密度传感器至少具有以下优点：本发明的悬臂梁芯片和驱动芯片采用硅硅键合工艺进行封装，可以有效减小传感器的封装尺寸，以用于要求传感器封装尺寸较小的环境中；驱动磁场是由圆形螺旋线圈通入恒定电流产生的，通过改变交恒定电流的大小可以根据需要快速改变驱动磁场的强度；惠斯通全桥通过悬臂梁芯片上的两个焊盘采用恒流源供电，惠斯通全桥的输出受温度的影响较小。

附图说明

图1为本发明一种复合式MEMS密度传感器的结构原理示意图；

图2为本发明一种复合式MEMS密度传感器的驱动芯片的结构示意图；

图3为本发明一种复合式MEMS密度传感器的驱动芯片的制备工艺流程图；

图4为本发明一种复合式MEMS密度传感器的驱动芯片的原理图；

图5为本发明一种复合式MEMS密度传感器的驱动磁场的分布示意图；

图6为本发明一种复合式MEMS密度传感器的悬臂梁芯片的结构示意图；

图7为本发明一种复合式MEMS密度传感器的悬臂梁芯片的原理示意图。

图中的标号如下表示：

1	悬臂梁芯片	2	驱动芯片
				3	硅片	4	金层

5	氮化硅层	6	引线孔
				7	飞线层	8、9	焊盘
10	圆形螺旋线圈	11～16、22、23	焊盘
				17～20	电阻	21	方形螺旋线圈

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种复合式MEMS密度传感器的结构及工作原理做详细描述：

如图1所示，本发明一种复合式MEMS密度传感器包括悬臂梁芯片1和驱动芯片2；悬臂梁芯片1和驱动芯片2采用硅硅键合工艺进行封装，键合时使驱动芯片2上的圆形螺旋线圈10的中心与悬臂梁芯片上的方形螺旋线圈21的中心相对，以使圆形螺旋线圈10产生的磁场能够有效的驱动悬臂梁芯片1振动；通过驱动芯片2上的两个焊盘8、9通入恒定电流产生驱动磁场，磁场分布如图2或图5所示；悬臂梁芯片1处于驱动芯片2产生的驱动磁场中，通过悬臂梁芯片1上的两个焊盘11、16在方形螺线线圈21中通入交变电流，当方形螺旋线圈21通入的交变电流为逆时针方向时，悬臂梁芯片1的受力F的方向如图1所示，方形螺旋线圈21通入的交变电流为顺时针方向时，悬臂梁芯片1的受力F的方向与图1中所示力F的方向相反，在磁场B作用下，方形螺线线圈21上产生交变的洛伦磁力而使悬臂梁芯片发生振动，当悬臂梁芯片发生谐振时，此时通过焊盘11、16在方形螺线线圈21中通入交变电流的频率即为悬臂梁芯片在被测液体中的谐振频率。

如图2所示为驱动芯片2三维结构示意图，驱动芯片2上布置有焊盘8、9和圆形螺旋线圈10。

参照图3所示，说明驱动芯片2的制备工艺流程：

(1)如图3(a)所示，选取双面抛光的P型单晶硅片3；

(2)正面采用CVD技术淀积二氧化硅；

(3)如图3(b)所示，在二氧化硅表面旋涂一层光刻胶，经过曝光、烘烤、显影形成螺旋线圈和焊盘的图形，然后去胶，采用溅射工艺在硅片3上形成金层4，然后经过剥离工艺后形成焊盘8、9、圆形螺旋线圈10；

(4)如图3(c)所示，正面采用低压气相淀积技术在金层4上沉积氮化硅遮蔽层5；

(5)如图3(d)所示，正面旋涂一层光刻胶，经过曝光、烘烤、显影形成引线孔，之后采用等离子体刻蚀技术在氮化硅层5上刻蚀两个引线孔6，去胶。

(6)如图3(e)所示，表面旋涂一层光刻胶，经过曝光、烘烤、显影形成飞线7的图形，然后去胶，采用溅射工艺在氮化硅层5上形成金层，然后经过剥离工艺后形成飞线7。

如图4所示，介绍驱动芯片2产生驱动磁场的原理：所述驱动芯片2上布置有焊盘8、9，飞线7及圆形螺旋线圈10；通过焊盘8、9施加恒定电流产生驱动磁场，由毕奥-沙伐定律可知，单圈驱动线圈周围空间某点的磁场强度满足：

$\stackrel{\→}{B}=\∫d\stackrel{\→}{B}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\∫\frac{I_{d}d\stackrel{\→}{l}\×\stackrel{\→}{r_0}}{r^2}---\left(1\right)$

其中，μ₀为真空中的磁导率，I_d为通过圆形螺旋线圈10的恒定电流，I_ddl为元电流段，r为空间中某点到元电流段的距离，r₀为元电流段指向空间中某点的单位矢量，A-A剖面上的磁场分布如图5所示。

如图6所示为悬臂梁芯片1上的方形螺旋线圈21通入的交变电流为逆时针方向时，悬臂梁芯片1处于驱动磁场中的受力方向示意图，当方形螺旋线圈21通入的交变电流为顺时针方向时，悬臂梁芯片1的受力方向与图示方向相反，在磁场B作用下，方形螺线线圈21上产生交变的洛伦磁力使悬臂梁芯片发生振动。

参照图7，介绍悬臂梁芯片1测量流体密度的原理。

如图7所示，所述悬臂梁芯片1上布置有惠斯通全桥(由电阻条17～20组成)、方形螺旋线圈21及焊盘11～16、22、23，焊盘22和23通过金线连接。

所述方形螺旋线圈21，通过焊盘11和16施加交变电流，处于磁场B中的方形螺旋线圈21受到方向不断变化的洛伦兹力作用，驱动悬臂梁芯片1振动。当所施加的交变电流的频率与悬臂梁芯片1处于液体中的谐振频率相同时，悬臂梁芯片1发生谐振现象，此时悬臂梁芯片1的振动幅值最大。

所述惠斯通全桥由4个电阻值相同的电阻条17～20组成，布置在悬臂梁芯片1一阶谐响应发生最大应变位置处，焊盘12、14通过恒流源供电，电流值为I。由于悬臂梁芯片1的振动使电阻条受到拉伸或压缩，从而使电阻条的阻值发生变化，焊盘13、15之间的输出电压差也随之发生变化。通过电压测量仪器测出焊盘13、15间电压差值的变化。

U₁₃＝I(R₁₉+ΔR_T+ΔR_V19)       (2)

U₁₅＝I(R₂₀+ΔR_T+ΔR_V20)       (3)

ΔU＝U₁₃-U₁₅＝I(ΔR_V19-ΔR_V20)(4)

式中，U₁₃、U₁₅分别指焊盘13、15处的电压；R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀是电阻条17、18、19、20的阻值且初值相等；ΔR_T是由温度引起的电阻条阻值的变化量；ΔR_V19、ΔR_V20是电阻条19、20由振动引起的阻值变化量。从式(4)得出焊盘13、15间的电压差ΔU，只与由振动引起的电阻条19、20的阻值变化量ΔR_V19、ΔR_V20有关，因此，在恒流源供电下，惠斯通全桥的输出受温度的影响较小。

通过焊盘11、16施加交变电流的频率与悬臂梁芯片1处于流体中的谐振频率相同时，悬臂梁芯片1发生谐振，此时振动幅值最大，电阻条的阻值变化量最大，焊盘13、15间的电压差ΔU取得最大值，此时，在焊盘11和16处施加的交变电流的频率即悬臂梁芯片1在液体中的谐振频率，记为f。悬臂梁芯片1在液体中的谐振频率与液体密度的关系式为：

$\mathrm{\ρ}=m+\frac{n}{f^2}---\left(5\right)$

式中，ρ是液体的密度；f是悬臂梁芯片在液体中的谐振频率，m、n是常数。在两种已知密度ρ₁、ρ₂的流体中测出悬臂梁芯片谐振频率f₁、f₂，代入式(5)求解m、n，即标定常数m、n。然后，根据被测流体中悬臂梁芯片的谐振频率f₃，根据公式(5)，计算得出被测流体的密度ρ₃。

本发明的主要技术指标如下：

1、密度测量范围：100Kg/m³～1500Kg/m³；

2、密度测量精度：优于±2％FS；

3、工作温度：-25℃～120℃；

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 (8)

1.一种复合式MEMS密度传感器，其特征在于，包括驱动芯片（2）和设置于驱动芯片（2）上的悬臂梁芯片（1）；所述悬臂梁芯片（1）上布置有方形螺旋线圈（21）和惠斯通全桥；所述驱动芯片（2）上布置有圆形螺旋线圈（10）；圆形螺旋线圈（10）的中心与方形螺旋线圈（21）的中心相对；悬臂梁芯片（1）包括布置方形螺旋线圈（21）和惠斯通全桥的第一硅基底；驱动芯片（2）包括布置圆形螺旋线圈（10）的第二硅基底；第一硅基底和第二硅基底封装时采用硅硅键合技术封装。

2.根据权利要求1所述的一种复合式MEMS密度传感器，其特征在于：驱动芯片（2）上布置有第一焊盘（8）和第二焊盘（9）；第一焊盘（8）连接圆形螺旋线圈（10）的外周一端，第二焊盘（9）连接圆形螺旋线圈（10）的中心一端。

3.根据权利要求2所述的一种复合式MEMS密度传感器，其特征在于：第一焊盘（8）和第二焊盘（9）通入恒定电流。

4.根据权利要求1或3所述的一种复合式MEMS密度传感器，其特征在于：悬臂梁芯片（1）上设有连接方形螺旋线圈（21）外周一端的第三焊盘（16）和连接方形螺旋线圈（21）中心一端的第四焊盘（11）。

5.根据权利要求4所述的一种复合式MEMS密度传感器，其特征在于：第三焊盘（16）和第四焊盘（11）通入交变电流。

6.根据权利要求1所述的一种复合式MEMS密度传感器，其特征在于：所述惠斯通全桥由4个电阻值相同的电阻条（17～20）组成，该惠斯通全桥布置在悬臂梁芯片（1）一阶谐响应发生最大应变位置处。

7.根据权利要求6所述的一种复合式MEMS密度传感器，其特征在于：所述4个电阻值相同的电阻条包括第一电阻条（17）、第二电阻条（18）、第三电阻条（19）和第四电阻条（20）；第一电阻条（17）和第四电阻条（20）垂直于悬臂梁芯片（1）的长度方向布置，第二电阻条（18）和第三电阻条（19）平行于悬臂梁芯片（1）的长度方向布置；所述悬臂梁芯片（1）上设有四个连接所述惠斯通全桥的焊盘，包括第五焊盘（12）、第六焊盘（13）、第七焊盘（14）和第八焊盘（15）；第五焊盘（12）连接第三电阻条（19）和第四电阻条（20），第六焊盘（13）连接第三电阻条（19）和第一电阻条（17），第七焊盘（14）连接第一电阻条（17）和第二电阻条（18），第八焊盘（15）连接第二电阻条（18）和第四电阻条（20）；第五焊盘（12）和第七焊盘（14）通入恒定电流。

8.根据权利要求1所述一种复合式MEMS密度传感器，其特征在于：悬臂梁芯片（1）包括连接驱动芯片（2）的固定端和由固定端延伸出的悬臂端；所述方形螺旋线圈（21）设置于所述悬臂端上。

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