CN103076050A - 一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片 - Google Patents

Abstract

一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基，在外围支撑硅基的背面配置有玻璃衬底，外围支撑硅基的背面与玻璃衬底进行键合连接，中央硅膜位于外围支撑硅基的中间，中央硅膜的一边和外围支撑硅基之间通过一硅悬臂梁相连，硅悬臂梁上的中间配置有四个压阻条，四个压阻条连接构成惠斯通电桥，中央硅膜与硅悬臂梁组成的梁膜结构构成传感器测量部位，当一定速度流体作用于传感器芯片时，将有惯性力作用于中央硅膜，进而使得梁膜结构发生变形，压阻条在硅悬臂梁的应力作用下其阻值发生变化，惠斯通电桥失去平衡，输出一个与外界流量相对应的电信号，从而实现传感器芯片对流量的测量，具有体积小，重量小，响应速度快和高灵敏度的优点。

Description

一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片

技术领域

本发明属于微机械电子技术领域，具体涉及一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片。

背景技术

流量测量是工业生产和科研工作的重要的检测参数。近年来，随着对微电子机械系统（MEMS）的深入研究和取得的进展，传统的工业和流体力学研究的流量传感器向高集成度，微型化，高精度，高可靠性方向发展。MEMS流量传感器按测量原理主要可以分为热式和非热式两种，经过30年的发展，热式MEMS流量传感器已经占据了流量测量的主流位置。但是，热式微流量传感器也有其固有的缺点。例如功耗大、衬底的热传导导致测量误差、零点随环境温度漂移、响应时间长等。另外，因为要对流体加热，所以就限制了热式微流量传感器在生物技术方面的应用。目前，非热式流量传感器研究相对较少，现有的非热式流量存在难以兼顾全量程范围内的灵敏度、普遍较难计算、制造过程难以与标准CMOS工艺兼容等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，具有体积小，重量小，响应速度快和高灵敏度的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基3，在外围支撑硅基3的背面配置有玻璃衬底4，外围支撑硅基3的背面与玻璃衬底4进行键合连接，中央硅膜1位于外围支撑硅基3的中间，中央硅膜1的一边和外围支撑硅基3之间通过一硅悬臂梁2相连，硅悬臂梁2上的中间配置有四个压阻条5，四个压阻条5连接构成惠斯通电桥，中央硅膜1与硅悬臂梁2组成的梁膜结构构成传感器测量部位；

所述的中央硅膜1与外围支撑硅基3之间存在150-170μm的间隙以使中央质硅膜1悬空，中央硅膜1的厚度与硅悬臂梁2的厚度相同；

所述的中央硅膜1、硅悬臂梁2和外围支撑硅基3三部分的中轴线重合。

所述的硅悬臂梁2采用了（100）晶面硅。

所述的四个压阻条5沿着[110]和[110]晶向布置。

本发明采用250um（100晶面）N型双面抛光硅片制作。

由于本发明采用梁膜结合的结构作为敏感元件，集流量感知与测量电路于一体，同时采用250um（100晶面）N型双面抛光硅片制作，故而具有体积小，重量小，响应速度快和高灵敏度的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的截面示意图。

图3为压阻条5在硅悬臂梁2上的分布示意图。

图4为压阻条5构成的惠斯通电桥示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构与工作原理详细说明。

参见图1和图2，一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基3，在外围支撑硅基3的背面配置有玻璃衬底4，外围支撑硅基3的背面与玻璃衬底4进行键合连接，中央硅膜1位于外围支撑硅基3的中间，中央硅膜1的一边和外围支撑硅基3之间由一硅悬臂梁2相连，硅悬臂梁2上的中间配置有四个压阻条5，四个压阻条5连接构成惠斯通电桥，中央硅膜1与硅悬臂梁2组成的梁膜结构构成传感器测量部位，传感器芯片感应到的流量信号输入通过四个压阻条5组成的测量电路最终转化为电信号，完成对流量的感应与测量。

所述的中央硅膜1与外围支撑硅基3之间存在150-170μm的间隙以使中央硅膜1悬空，并使得流体可以通过，中央硅膜1可以在外界流量作用时发生一定的位移，从而感知流量信息，所述的中央硅膜1的厚度与硅悬臂梁2的厚度相同，硅悬臂梁2的宽度小于中央硅膜的1的宽度,使应力集中作用明显。

所述的中央硅膜1，硅悬臂梁2和外围支撑硅基3三部分的中轴线重合。

所述的硅悬臂梁2采用了（100）晶面硅。

所述的四个压阻条5沿着[110]和[110]晶向布置。

本发明采用250um（100晶面）N型双面抛光硅片制作。

参见图3和图4，四个压阻条5分别为电阻R1、R2、R3和R4，在硅悬臂梁2上，电阻R1与电阻R3平行布置，电阻R2与电阻R4呈一条直线布置，四个压阻条5连接构成惠斯通电桥。

本发明的工作原理是：

一定速度流体垂直作用于传感器芯片上表面时，中央硅膜1作为传感器流量的敏感膜片。根据伯努利方程，当一定速度流体作用于中央硅膜1时，由于惯性力的作用，中央硅膜1会产生一定的位移，进而使梁膜结构中的硅悬臂梁2部分发生形变，该形变所产生的应力导致分布于硅悬臂梁2上的压阻条5的电阻值变化。这一阻值变化通过惠斯通电桥转变为电信号输出，从而实现传感器芯片的流量-电压信号转换，完成对流量的测量。

本发明中硅悬臂梁2上的压阻条5阻值的变化量通过压阻效应的相关公式计算而来，压阻效应是指当半导体材料受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。当压阻条处于一定应力作用下时，其阻值变化与其所受应力之间的比例关系式如下：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}={\mathrm{\π}}_l{\mathrm{\σ}}_i+{\mathrm{\π}}_{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\τ}}_i$

式中：R——压阻条初始阻值；

π_l——为压阻条横向压阻系数；

π_τ——压阻条纵向压阻系数；

σ_i——压阻条受到的正应力；

τ_i——压阻条受到的剪应力。

因此硅悬臂梁2在外界流量作用时产生的应力将会使其上的压阻条5的阻值变化，通过惠斯通电桥再将此变化转变为电信号输出，继而实现对流量的感应与测量，压阻效应具有各向异性的特征，沿着不同的方向施加应力或沿不同方向通过电流，材料的电阻率变化均不相同，为了在同样的流量作用下得到更大的输出电信号，本发明中的硅悬臂梁2选择（100）晶面硅片，利用（100）晶面硅在[110]和[110]晶向上具有最大值，在[100]和[010]晶向上几乎为零的特点，压阻条5沿着[110]和[110]晶向分布，提高了传感器芯片对流量的测量精度。

Claims (4)

1.一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基（3），其特征在于：在外围支撑硅基（3）的背面配置有玻璃衬底（4），外围支撑硅基（3）的背面与玻璃衬底（4）进行键合连接，中央硅膜（1）位于外围支撑硅基（3）的中间，中央硅膜（1）的一边和外围支撑硅基（3）之间通过一硅悬臂梁（2）相连，硅悬臂梁（2）上的中间配置有四个压阻条（5），四个压阻条（5）连接构成惠斯通电桥，中央硅膜（1）与硅悬臂梁（2）组成的梁膜结构构成传感器测量部位；

所述的中央硅膜（1）与外围支撑硅基（3）之间存在150-170m的间隙以使中央质硅膜（1）悬空，中央硅膜（1）的厚度与硅悬臂梁（2）的厚度相同；

所述的中央硅膜（1）、硅悬臂梁（2）和外围支撑硅基（3）三部分的中轴线重合。

2.根据权利要求1所述的一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，其特征在于：所述的硅悬臂梁（2）采用了（100）晶面硅。

3.根据权利要求1所述的一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，其特征在于：所述的四个压阻条（5）沿着[110]和[110]晶向布置。

4.根据权利要求1所述的一种梁膜单梁结构硅微流量传感器芯片，其特征在于：本发明采用250um（100晶面）N型双面抛光硅片制作。

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