CN103090914A - 一种四膜结构硅微流量传感器芯片 - Google Patents

Abstract

一种四膜结构硅微流量传感器芯片，包括四个梯形硅膜，梯形硅膜位于外围支撑硅基的中间，梯形硅膜的长边与外围支撑硅基相连，每个梯形硅膜上靠近长边中央配置有一个压阻条，四个压阻条构成惠斯通电桥，当一定速度流体作用于传感器芯片时，将有惯性力作用于梯形硅膜，并使得梯形梁膜结构发生变形，压阻条在梯形硅膜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，本发明具有体积小，重量小，响应速度快和高灵敏度的优点。

Description

一种四膜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，具体涉及一种四膜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四膜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：

一种四膜结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基2，在外围支撑硅基2的背面配置有玻璃衬底3，外围支撑硅基2的背面与玻璃衬底3进行键合连接，四个梯形硅膜1位于外围支撑硅基2的中间，四个梯形硅膜1的长边分别与外围支撑硅基2相连，每个梯形硅膜2上的靠近长边中央配置有一个压阻条4，四个压阻条4连接构成惠斯通电桥，四个梯形硅膜1构成传感器测量部位；

所述的四个梯形硅膜1之间存在150-170μm的间隙以使梯形硅膜1悬空，所述四个梯形硅膜1的厚度相同；

所述的四个梯形硅膜1关于外围支撑硅基2的中轴线两两对称。

所述的梯形硅膜1采用了（100）晶面硅。

所述的四个压阻条4沿着[110]和

晶向布置。

本发明采用250um（100晶面）N型双面抛光硅片。

由于本发明采用膜结构作为敏感元件，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4在梯形硅膜1上的分布示意图。

图4为压阻条4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2，一种四膜结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基2，在外围支撑硅基2的背面配置有玻璃衬底3，外围支撑硅基2的背面与玻璃衬底3进行键合连接，四个梯形硅膜1位于外围支撑硅基3的中间，四个梯形硅膜1的长边分别与外围支撑硅基2相连，每个梯形硅膜2上的靠近长边中央配置有一个压阻条4，四个压阻条4构成惠斯通电桥，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。

所述的四个梯形硅膜1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，梯形硅膜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，从而构成传感器的测量部位，所述的四个梯形硅膜1的厚度相同。

所述的四个梯形硅膜1，关于外围支撑硅基2的中轴线两两对称。

所述的梯形硅膜1采用了（100）晶面硅。

所述的四个压阻条4沿着[110]和

晶向布置。

本发明采用250um（100晶面）N型双面抛光硅片。

参见图3、4，四个压阻条4分别为电阻R1、R2、R3和R4，梯形硅膜1上，电阻R1与电阻R3呈一条直线布置，电阻R2与电阻R4呈一条直线布置，四个压阻条4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，梯形硅膜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梯形硅膜1时，由于惯性力的作用，梯形硅膜1会产生一定的位移，并发生形变，该形变所产生的应力导致分布于梯形硅膜1上的压阻条4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。

本发明中梯形硅膜1上的压阻条4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。

因此梯形硅膜1在外界流量作用时产生的应力将会使其上的压阻条4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，本发明中的梯形硅膜1选择（100）晶面硅片，利用（100）晶面硅在[110]和

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4沿着[110]和

晶向分布，提高了传感器芯片对流量的测量精度。

Claims (4)

1.一种四膜结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基（2），在外围支撑硅基（2）的背面配置有玻璃衬底（3），外围支撑硅基（2）的背面与玻璃衬底（3）进行键合连接，其特征在于，四个梯形硅膜（1）位于外围支撑硅基（2）的中间，梯形硅膜（1）长边分别与外围支撑硅基（2）相连，每个梯形硅膜（1）上的靠近长边中央配置有一个压阻条（4），四个压阻条（4）构成惠斯通电桥，四个梯形硅膜（1）共同构成传感器测量部位；

所述四个梯形硅膜（1）之间存在150-170μm间隙以使梯形硅膜（1）悬空，并可以使流体顺利通过，所述的四个梯形硅膜（1）的厚度相同；

四个梯形硅膜（1）关于外围支撑硅基（2）的中轴线两两对称。

2.根据权利要求1所述的一种四膜结构硅微流量传感器芯片，其特征在于，所述的梯形硅膜（1）采用了（100）晶面硅。

3.根据权利要求1所述的一种四膜结构硅微流量传感器芯片，其特征在于，所述的四个压阻条（4）沿着[110]和

晶向布置。

4.根据权利要求1所述的一种四膜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。

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