CN106595786A - 一种阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片 - Google Patents

一种阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片 Download PDF

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    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692—Thin-film arrangements

Abstract

一种阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基，外围支撑硅基中部设有两组相对的成阵列布置的硅膜，每一组有四个硅膜，每一硅膜和外围支撑硅基之间通过一个硅悬臂梁相连，每一硅悬臂梁上配置有压阻条，每一组硅悬臂梁的四个压阻条通过引线连接构成惠斯通电桥，硅膜与硅悬臂梁组成的阵列悬臂梁膜结构构成传感器测量部位，硅膜与外围支撑硅基存在间隙以使硅膜悬空，每一组相邻的硅膜之间存在间隙，当流体通过时，进而使得阵列悬臂梁膜结构发生变形，压阻条在硅悬臂梁的应力作用下阻值发生变化，惠斯通电桥失衡，输出一与流体作用相对应的电信号，从而实现传感器芯片对流量的测量，本发明具有体积小、质量小、灵敏度高和自校准的优点。

Description

一种阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片
技术领域
本发明属于MEMS流量传感器技术领域，尤其涉及一种阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片。
背景技术
流量参数的测量是工业生产和科研工作中的一项重要工作。随着对微机械电子系统(MEMS)领域的深入研究，用于流体流动中流量参数测量的流量传感器向微型化，高度集成，高精度，高灵敏度等方向发展。MEMS流量传感器根据测量原理的不同可分为热式流量传感器和非热式流量传感器。经过长期的发展，热式流量传感器已经成为流量传感器研究与生产的主要部分。但是热式流量传感器也有其固有缺点，比如零点漂移大，功耗大，响应时间长等。目前，非热式流量传感器的研究逐渐成为主流，但现有的非热式流量传感器存在难以兼顾全量程范围内的灵敏度，制造工艺复杂等问题。
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阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片，具有体积小、质量小、灵敏度高和自校准的优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基1，外围支撑硅基1的中部设有两组相对的成阵列布置的硅膜2，每一组有四个硅膜2，每一硅膜2和外围支撑硅基1之间通过一个硅悬臂梁3相连，每一硅悬臂梁3上配置有压阻条4，每一组硅悬臂梁3的四个压阻条4通过引线连接构成惠斯通电桥，硅膜2与硅悬臂梁3组成的阵列悬臂梁膜结构构成传感器测量部位；
所述的硅膜2与外围支撑硅基1存在间隙以使硅膜2悬空，每一组相邻的硅膜2之间存在间隙，使流体顺利通过。
所述的硅膜2厚度与硅悬臂梁3厚度相同，硅悬臂梁3宽度小于硅膜2宽度，实现应力集中。
所述的硅悬臂梁3采用了(1 0 0)晶面硅。
所述的压阻条4沿着和[1 1 0]晶向布置在硅悬臂梁3上。
所述的硅微流量传感器芯片采用250um厚(1 0 0)晶面N型双面抛光硅片制作。
本发明的有益效果为：由于采用外围支撑硅基1、硅膜2、硅悬臂梁3，所以本发明具有体积小、质量小的优点；由于硅悬臂梁3采用了(1 0 0)晶面硅，利用(1 0 0)晶面硅在和[1 1 0]晶向上具有最大值，在[1 0 0]和[0 1 0]晶向上几乎为零的特点，压阻条4沿着和[1 1 0]晶向分布，提高了硅微流量传感器芯片对流量的测量精度，所以具有灵敏度高的优点；由于设有两个惠斯通电桥，所以具有自校准的优点。
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为本发明压阻条4在硅悬臂梁3上的分布示意图。
图4为本发明压阻条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做详细说明。
参照图1和图2，一种阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基1，外围支撑硅基1的中部设有两组相对的成阵列布置的硅膜2，每一组有四个硅膜2，每一硅膜2和外围支撑硅基1之间通过一个硅悬臂梁3相连，每一硅悬臂梁3上配置有压阻条4，每一组硅悬臂梁3的四个压阻条4通过引线连接构成惠斯通电桥，共有两组惠斯通电桥组成，硅膜2与硅悬臂梁3组成的阵列悬臂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压阻条4构成的惠斯通电桥测量电路转化成电信号，完成对流量的测量。
所述的硅膜2与外围支撑硅基1存在132um的间隙以使硅膜2悬空，每一组相邻的硅膜2之间存在132um的间隙，使流体顺利通过，硅膜2在外界流量作用时产生位移，从而感知流量信息。
所述的硅膜2厚度与硅悬臂梁3厚度相同，硅悬臂梁3宽度小于硅膜2宽度，实现应力集中。
所述的硅悬臂梁3采用了(1 0 0)晶面硅。
所述的压阻条4沿着和[1 1 0]晶向布置在硅悬臂梁3上。
所述的硅微流量传感器芯片采用250um厚(1 0 0)晶面N型双面抛光硅片制作。
参见图3和图4，一组硅悬臂梁3的四个压阻条电阻分别为R1、R2、R3、R4，第一压阻条R1和第三压阻条R3平行布置，第二压阻条R2和第四压阻条R4成一条直线布置，四个压阻条构成惠斯通电桥；另一组硅悬臂梁3的四个压阻条电阻分别为R5，R6，R7，R8，第五压阻条R5和第七压阻条R7平行布置，第六压阻条R6和第八压阻条R8成一条直线布置，四个压阻条构成惠斯通电桥。
本发明的工作原理是：
当一定速度流体作用于硅微流量传感器芯片上时，根据伯努利方程，硅膜2上产生惯性力，硅膜2产生相应的位移，进而使硅悬臂梁3发生形变，该形变所产生的应力导致布置在硅悬臂梁3上的压阻条4阻值发生变化，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。硅悬臂梁3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:
式中：ΔR——压阻条阻值变化值；
R——压阻条初始阻值；
πl——压阻条横向压阻系数；
πt——压阻条纵向压阻系数；
σl——压阻条受到的横向应力；
σt——压阻条受到的纵向应力。
硅悬臂梁3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，硅悬臂梁3选择(1 0 0)晶面硅片，利用(1 0 0)晶面硅在和[1 1 0]晶向上具有最大值，在[1 0 0]和[0 1 0]晶向上几乎为零的特点，压阻条4沿着和[1 1 0]晶向分布，提高了硅微流量传感器芯片对流量的测量精度。
由于设有两个惠斯通电桥，所以具有自校准的优点。

Claims (5)

1.一种阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基(1)，其特征在于：外围支撑硅基(1)的中部设有两组相对的成阵列布置的硅膜(2)，每一组有四个硅膜(2)，每一硅膜(2)和外围支撑硅基(1)之间通过一个硅悬臂梁(3)相连，每一硅悬臂梁(3)上配置有压阻条(4)，每一组硅悬臂梁(3)的四个压阻条(4)通过引线连接构成惠斯通电桥，硅膜(2)与硅悬臂梁(3)组成的阵列悬臂梁膜结构构成传感器测量部位；
所述的硅膜(2)与外围支撑硅基(1)存在间隙以使硅膜(2)悬空，每一组相邻的硅膜(2)之间存在间隙，使流体顺利通过。
2.根据权利要求1所述的一种阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片，其特征在于：所述的硅膜(2)厚度与硅悬臂梁(3)厚度相同，硅悬臂梁(3)宽度小于硅膜(2)宽度，实现应力集中。
3.根据权利要求1所述的一种阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片，其特征在于：所述的硅悬臂梁(3)采用了(100)晶面硅。
4.根据权利要求1所述的一种阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片，其特征在于：所述的压阻条(4)沿着[110]和[110]晶向布置在硅悬臂梁(3)上。
5.根据权利要求1所述的一种阵列悬臂梁膜结构硅微流量传感器芯片，其特征在于：所述的硅微流量传感器芯片采用250um厚(100)晶面N型双面抛光硅片制作。
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