CN113405946A - 微机电谐振式粘度传感器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种微机电谐振式粘度传感器，包括依次键合连接的第一液体接触膜、SOI组合体和第二液体接触膜，第一液体接触膜与第二液体接触膜关于SOI组合体镜像对称，SOI组合体包括谐振器，第一液体接触膜具有第一薄膜，第二液体接触膜具有第二薄膜，第一薄膜与第二薄膜的中心通过刚性体连接于谐振器的中心；第一薄膜与第二薄膜之间形成有真空腔体，谐振器位于真空腔体内，谐振器在驱动力作用下带动第一薄膜与第二薄膜沿着垂直于薄膜平面的方向谐振工作。利用本公开，粘度变化与谐振能量损耗的转换过程简单，有利于提高粘度的检测灵敏度，降低后端算法处理难度，提高传感器的输出精度，并且使得传感器的量程有大幅提升。

Description

微机电谐振式粘度传感器

技术领域

本公开涉及传感器技术领域，特别涉及一种微机电谐振式的粘度传感器。

背景技术

微机电谐振式粘度传感器主要通过测量谐振结构在流体阻尼中谐振频率或者谐振品质因数(Q值)实现粘度测量。传感器输出包含谐振特性的周期弦信号，该周期弦信号通过阻抗或增益分析处理后，即可实现谐振Q值等的解算。随着传感器向微型化、数字化、智能化、网络化方向发展，微机电谐振式粘度传感器因其易于数字集成、结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低、可批量生产等众多优点，在粘度测量行业备受关注。

微机械谐振式粘度传感器按结构主要可分为石英晶体微天平、谐振音叉、微悬臂梁/平板等多种实现形式。石英晶体微天平的谐振频率大、抗干扰能力强，但是谐振频移与流体粘度相关性差，谐振Q值随流体粘度增加急剧下降，测量范围有限。谐振音叉的谐振能量大、结构简单，但是尺寸相对较大、分辨率低、易受环境影响、测量精度有限。微悬臂梁/平板由于其灵敏度高，小型化程度高，易于原位集成等优点，是近些年微型谐振式流体粘度测量领域研究的热点方向。

但是，这三类微机械谐振式粘度传感器结构存在共性结构问题，即现有报道大多采用平板/梁结构直接接触液体，谐振器本征Q值(即传感器零点Q值)很低，最大值也仅为百级到千级，谐振结构的Q值随着液体粘度增大而急剧下降，极大限制了传感器的粘度测量范围。

另一方面，目前封装在真空环境下的谐振结构的Q值较其在空气环境中至少高2～3个数量级，可达到几万甚至几十万，如果能将真空封装谐振结构用于粘度测量，将为克服微悬臂梁/平板的应用缺陷提供较好解决思路。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种微机电谐振式粘度传感器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种微机电谐振式粘度传感器，该粘度传感器包括依次键合连接的第一液体接触膜100、SOI组合体600和第二液体接触膜500，所述第一液体接触膜100与所述第二液体接触膜500关于所述SOI组合体600镜像对称，其中：所述SOI组合体600包括谐振器400，所述第一液体接触膜100在远离所述SOI组合体600的一侧具有第一薄膜120，所述第二液体接触膜500在远离所述SOI组合体600的一侧具有第二薄膜520，所述第一薄膜120与所述第二薄膜520的中心通过刚性体700连接于所述谐振器400的中心；所述第一薄膜120与所述第二薄膜520之间形成有真空腔体800，所述谐振器400位于所述真空腔体800内，所述谐振器400在驱动力作用下带动所述第一薄膜120与所述第二薄膜520沿着垂直于薄膜平面的方向谐振工作。

在一些实施例中，所述谐振器400包括：谐振结构420；以及形成于所述谐振结构420四周用以固定所述谐振结构420的外围框架410。

在一些实施例中，所述谐振结构420包括两个第一可动电极421、两个第二可动电极422、一个第四刚性连接块423、四个偏置连接梁425和四个可动电极连接梁426，其中：所述第四刚性连接块423位于所述谐振结构420的中心，两个第一可动电极421和两个第二可动电极422沿着以所述第四刚性连接块423为中心的圆周均匀间隔排布，使得两个第一可动电极421互相对称且两个第二可动电极422互相对称；两个第一可动电极421、两个第二可动电极422和四个偏置连接梁425均连接于所述第四刚性连接块423，所述偏置连接梁425设置于第一可动电极421与第二可动电极422之间的间隙中，所述可动电极连接梁426将相邻的第一可动电极421和第二可动电极422固定连接于所述偏置连接梁425，使得第一可动电极421、第二可动电极422和偏置连接梁425连接成一体。

在一些实施例中，所述第一可动电极421和所述第二可动电极422均设置有呈阵列排布的多个阻尼弱化孔424，用于减小可动电极面外振动的压膜阻尼效应。

在一些实施例中，所述SOI组合体600还包括：驱动和检测结构200，设置于所述谐振器400之上且位于所述真空腔体800内，用于驱动所述谐振器400振动，并检测所述谐振器400的输出信号；以及绝缘层300，设置于所述驱动和检测结构200与所述谐振器400之间，用于所述驱动和检测结构200与所述谐振器400之间的电学绝缘隔离。

在一些实施例中，所述驱动和检测结构200包括两个第一固定电极210、两个第二固定电极220、一个第二刚性连接块230和一个密封环240，其中：所述第二刚性连接块230位于所述驱动和检测结构200的中心，两个第一固定电极210和两个第二固定电极220沿着以所述第二刚性连接块230为中心的圆周均匀间隔排布，使得两个第一固定电极210互相对称且两个第二固定电极220互相对称；所述密封环240形成于两个第一固定电极210和两个第二固定电极220的四周，且不连接于两个第一固定电极210和两个第二固定电极220，所述密封环240参与形成所述真空腔体800。

在一些实施例中，所述谐振器400采用静电驱动-电容检测的工作原理，所述谐振器400中的可动电极与所述驱动和检测结构200中的固定电极平行，且设置为一一对应的位置关系，所述第一可动电极421与所述第一固定电极210构成驱动电极对，所述第二可动电极422与所述第二固定电极220构成检测电极对。

在一些实施例中，所述第一固定电极210与后端驱动电路相连，用于给所述第一可动电极421提供面外振动的驱动力；所述第二固定电极220与后端检测电路相连，用于拾取所述第二可动电极422振动引起的电容变化量；所述第二刚性连接块230与所述第四刚性连接块423平行对应，形心同轴。

在一些实施例中，所述绝缘层300包括：第三刚性连接块310；以及形成于所述第三刚性连接块310四周用以隔离驱动和检测结构200与谐振器400的外围绝缘层320；其中，所述外围绝缘层320参与形成所述真空腔体800；所述第三刚性连接块310与所述第二刚性连接块230、所述第四刚性连接块423平行对应，形心同轴，并且将所述第二刚性连接块230与所述第四刚性连接块423刚性连接在一起。

在一些实施例中，所述驱动和检测结构200、所述绝缘层300和所述谐振器400是在一片SOI片上制作形成SOI组合体600。

在一些实施例中，所述第一液体接触膜100包括第一薄膜120、第一刚性连接块130和多个驱动和检测电极通孔110，其中所述驱动和检测电极通孔110用于穿过电学导线，实现两个第一固定电极210与后端驱动电路的连接，以及两个第二固定电极220与后端检测电路的连接；所述第二液体接触膜500包括第二薄膜520、第五刚性连接块530和一个偏置电极通孔510，其中所述偏置电极通孔510用于穿过电学导线，实现所述谐振器400与后端偏置电路的连接；所述第一刚性连接块130将所述第一薄膜120与所述第二刚性连接块230刚性连接，所述第五刚性连接块530将所述第二薄膜520与所述第四刚性连接块423刚性连接，从而实现所述第一薄膜120、所述第二薄膜520与所述谐振结构420的连接。

在一些实施例中，所述第一薄膜120与所述第二薄膜520结构相同且互相平行，薄膜外表面均接触待测液体，薄膜中心与所述第一刚性连接块130、所述第二刚性连接块230、所述第三刚性连接块310、所述第四刚性连接块423、所述第五刚性连接块530的形心同轴且依次刚性连接，构成所述刚性体700。

在一些实施例中，所述第一液体接触膜100、所述SOI组合体600和所述第二液体接触膜500依次键合连接构建成所述真空腔体800；所述谐振结构420工作在所述第一液体接触膜100、所述第二液体接触膜500、所述密封环240、所述绝缘层300、所述外围框架410构成的所述真空腔体800内，所述谐振结构420面外振动时带动所述第一薄膜120与所述第二薄膜520在被测液体内振动。

在一些实施例中，该粘度传感器各组成元件采用MEMS圆片级制造工艺加工而成，其中：所述第一液体接触膜100和所述第二液体接触膜500采用玻璃腐蚀工艺制成；所述驱动和检测结构200和所述谐振器400采用硅片干法刻蚀工艺制成；所述绝缘层300采用SOI片氧化层腐蚀工艺制成；所述第一液体接触膜100、所述SOI组合体600和所述第二液体接触膜500的连接采用阳极键合工艺完成。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的微机电谐振式粘度传感器至少具有以下有益效果：

1、本公开提供的微机电谐振式粘度传感器，第一薄膜120与第二薄膜520构成对称薄膜，谐振器400是垂直于对称薄膜以谐振模态工作，谐振器400通过简单的尽量小体积的刚性体700与对称薄膜连接，对称薄膜以平面挤压液体的形式与外界待测液体接触，外界待测液体与对称薄膜的粘滞力与谐振器振动方向一致，因此粘度变化与谐振能量损耗的转换过程简单，有利于提高粘度的检测灵敏度，降低后端算法处理难度，提高传感器的输出精度。

2、本公开提供的微机电谐振式粘度传感器，第一薄膜120与第二薄膜520构成的对称薄膜，是为谐振器400构造真空环境设置的一对结构对称的液体接触薄膜，谐振器400平行置于第一薄膜120与第二薄膜520之间，并且与第一薄膜120及第二薄膜520通过刚性体700连接，外界压力对谐振器400的压强作用互相抵消，谐振器400不会随着外界压力变化而改变位置，一方面能够弱化谐振器400对外界压力的敏感性，另一方面也降低了谐振器400驱动和检测的实现难度。

3、本公开提供的微机电谐振式粘度传感器，谐振器400工作在高真空环境中，传感器零点Q值高于10⁴数量级，相较于直接接触待测液体工作的谐振式粘度传感器，本公开提供的微机电谐振式粘度传感器的量程能够有大幅提升。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为依照本公开实施例的微机电谐振式粘度传感器的结构示意图；

图2为图1所示的微机电谐振式粘度传感器的剖面图；

图3a为图1所示的微机电谐振式粘度传感器中谐振器400的等轴视图；

图3b为图1所示的微机电谐振式粘度传感器中谐振结构420的局部放大图；

图4为图1所示的微机电谐振式粘度传感器中驱动和检测结构200的示意图；

图5为图1所示的微机电谐振式粘度传感器中绝缘层300的示意图；

图6为图1所示的微机电谐振式粘度传感器中第一液体接触膜100的等轴视图；

图7为图1所示的微机电谐振式粘度传感器中第二液体接触膜500的等轴视图；

图8为依照本公开实施例的微机电谐振式粘度传感器中各组成部分的关系透视图；

图9为依照本公开实施例的微机电谐振式粘度传感器中谐振器400工作模态示意图。

【附图标记说明】

100-第一液体接触膜；

110-驱动和检测电极通孔；

120-第一薄膜；

130-第一刚性连接块

200-驱动和检测结构；

210-第一固定电极；

220-第二固定电极；

230-第二刚性连接块；

240-密封环；

300-绝缘层；

310-第三刚性连接块

320-外围绝缘层

400-谐振器；

410-外围框架；

420-谐振结构；

421-第一可动电极；422-第二可动电极；423-第四刚性连接块；

424-阻尼弱化孔；425-偏置连接梁；426-可动电极连接梁

500-第二液体接触膜；

510-偏置电极通孔；

520-第二薄膜；

530-第五刚性连接块；

其中，驱动和检测结构200、绝缘层300、谐振器400构成SOI组合体600；第一刚性连接块130、第二刚性连接块230、第三刚性连接块310、第四刚性连接块423、第五刚性连接块530构成刚性体700；

800-真空腔体。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包括”或“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”并不排除存在多个这样的元件。

在本公开的一个示例性实施例中，基于真空封装的面外振动谐振器和平行正对的液体接触薄膜，提供了一种微机电谐振式粘度传感器。图1为依照本公开实施例的微机电谐振式粘度传感器的结构示意图，图2为图1所示的微机电谐振式粘度传感器的剖面图。

如图1和图2所示，从整体上看，本公开实施例提供的微机电谐振式粘度传感器包括依次键合连接的第一液体接触膜100、SOI组合体600和第二液体接触膜500，所述第一液体接触膜100与所述第二液体接触膜500关于所述SOI组合体600镜像对称。所述SOI组合体600包括谐振器400，所述第一液体接触膜100在远离所述SOI组合体600的一侧具有第一薄膜120，所述第二液体接触膜500在远离所述SOI组合体600的一侧具有第二薄膜520，所述第一薄膜120与所述第二薄膜520的中心通过刚性体700连接于所述谐振器400的中心。所述第一薄膜120与所述第二薄膜520分别内嵌于第一液体接触膜100和第二液体接触膜500，所述第一薄膜120与所述第二薄膜520之间形成有真空腔体800，所述谐振器400位于所述真空腔体800内，所述谐振器400在驱动力作用下带动所述第一薄膜120与所述第二薄膜520沿着垂直于薄膜平面的方向谐振工作。

根据本公开的实施例，图3a为图1所示的微机电谐振式粘度传感器中谐振器400的等轴视图，如图3a所示，所述谐振器400包括外围框架410和谐振结构420，所述外围框架410形成于所述谐振结构420四周，用以固定所述谐振结构420。谐振结构420在驱动力的作用下以面外振动的振型工作。另外，外围框架410参与形成真空腔体800。

根据本公开的实施例，图3b为图1所示的微机电谐振式粘度传感器中谐振结构420的局部放大图。如图3b所示，所述谐振结构420包括两个第一可动电极421、两个第二可动电极422、一个第四刚性连接块423、四个偏置连接梁425和四个可动电极连接梁426。

根据本公开的实施例，所述第四刚性连接块423位于所述谐振结构420的中心，两个第一可动电极421和两个第二可动电极422沿着以所述第四刚性连接块423为中心的圆周均匀间隔排布，使得两个第一可动电极421互相对称且两个第二可动电极422互相对称。

根据本公开的实施例，两个第一可动电极421、两个第二可动电极422和四个偏置连接梁425均连接于所述第四刚性连接块423，所述偏置连接梁425设置于第一可动电极421与第二可动电极422之间的间隙中，所述可动电极连接梁426将相邻的第一可动电极421和第二可动电极422固定连接于所述偏置连接梁425，使得第一可动电极421、第二可动电极422和偏置连接梁425连接成一体。

根据本公开的实施例，所述第一可动电极421和所述第二可动电极422均设置有呈阵列排布的多个阻尼弱化孔424，所述阻尼弱化孔424用于减小可动电极面外振动的压膜阻尼效应。

本实施例中，谐振结构420的组成部分都连成一体，谐振结构420面外振动的工作模态较容易的调整到谐振器400的一阶共振模态，也能较好的减弱加工不均匀引入的模态振型不对称问题，使传感器输出信号较强也较稳定。

根据本公开的实施例，在本公开提供的微机电谐振式粘度传感器中，所述SOI组合体600除了包括谐振器400以外，如图2所示，还包括驱动和检测结构200和绝缘层300，其中，所述驱动和检测结构200设置于所述谐振器400之上且位于所述真空腔体800内，用于驱动所述谐振器400振动，并检测所述谐振器400的输出信号。所述绝缘层300设置于所述驱动和检测结构200与所述谐振器400之间，用于所述驱动和检测结构200与所述谐振器400之间的电学绝缘隔离。

根据本公开的实施例，图4为图1所示的微机电谐振式粘度传感器中驱动和检测结构200的示意图。所述驱动和检测结构200包括两个第一固定电极210、两个第二固定电极220、一个第二刚性连接块230和一个密封环240，其中：所述第二刚性连接块230位于所述驱动和检测结构200的中心，两个第一固定电极210和两个第二固定电极220沿着以所述第二刚性连接块230为中心的圆周均匀间隔排布，使得两个第一固定电极210互相对称且两个第二固定电极220互相对称。所述密封环240形成于两个第一固定电极210和两个第二固定电极220的四周，且不连接于两个第一固定电极210和两个第二固定电极220，所述密封环240参与形成所述真空腔体800。

根据本公开的实施例，所述谐振器400采用静电驱动-电容检测的工作原理，所述谐振器400中的可动电极与所述驱动和检测结构200中的固定电极平行，且设置为一一对应的位置关系，所述第一可动电极421与所述第一固定电极210构成驱动电极对，所述第二可动电极422与所述第二固定电极220构成检测电极对。所述第一固定电极210与后端驱动电路相连，用于给所述第一可动电极421提供面外振动的驱动力；所述第二固定电极220与后端检测电路相连，用于拾取所述第二可动电极422振动引起的电容变化量；所述第二刚性连接块230与所述第四刚性连接块423平行对应，形心同轴。

根据本公开的实施例，图5为图1所示的微机电谐振式粘度传感器中绝缘层300的示意图。所述绝缘层300包括第三刚性连接块310和形成于所述第三刚性连接块310四周用以隔离驱动和检测结构200与谐振器400的外围绝缘层320，其中，所述外围绝缘层320参与形成所述真空腔体800；所述第三刚性连接块310与所述第二刚性连接块230、所述第四刚性连接块423平行对应，形心同轴，并且将所述第二刚性连接块230与所述第四刚性连接块423刚性连接在一起。

根据本公开的实施例，所述绝缘层300可以采用SOI片的氧化绝缘层，配合微纳加工工艺制备而成。

根据本公开的实施例，所述驱动和检测结构200、所述绝缘层300和所述谐振器400可以是在一片SOI片上制作形成SOI组合体600。

根据本公开的实施例，图6为图1所示的微机电谐振式粘度传感器中第一液体接触膜100的等轴视图。如图6所示，所述第一液体接触膜100包括第一薄膜120、第一刚性连接块130和多个驱动和检测电极通孔110，其中所述驱动和检测电极通孔110用于穿过电学导线，实现两个第一固定电极210与后端驱动电路的连接，以及两个第二固定电极220与后端检测电路的连接。

根据本公开的实施例，图7为图1所示的微机电谐振式粘度传感器中第二液体接触膜500的等轴视图。如图7所示，所述第二液体接触膜500包括第二薄膜520、第五刚性连接块530和一个偏置电极通孔510，其中所述偏置电极通孔510用于穿过电学导线，实现所述谐振器400与后端偏置电路的连接。

根据本公开的实施例，所述第一刚性连接块130将所述第一薄膜120与所述第二刚性连接块230刚性连接，所述第五刚性连接块530将所述第二薄膜520与所述第四刚性连接块423刚性连接，从而实现所述第一薄膜120、所述第二薄膜520与所述谐振结构420的连接。所述第一薄膜120与所述第二薄膜520结构相同且互相平行，薄膜外表面均接触待测液体，薄膜中心与所述第一刚性连接块130、所述第二刚性连接块230、所述第三刚性连接块310、所述第四刚性连接块423、所述第五刚性连接块530的形心同轴且依次刚性连接，构成所述刚性体700。

根据本公开的实施例，所述第一液体接触膜100、所述SOI组合体600和所述第二液体接触膜500依次键合连接构建成所述真空腔体800。所述谐振结构420工作在所述第一液体接触膜100、所述第二液体接触膜500、所述密封环240、所述绝缘层300、所述外围框架410构成的所述真空腔体800内，所述谐振结构420面外振动时带动所述第一薄膜120与所述第二薄膜520在被测液体内振动。

根据本公开的实施例，图8为依照本公开实施例的微机电谐振式粘度传感器中各组成部分的关系透视图。请参照图1～图8，第一薄膜120和第二薄膜520结构相同且互相平行，薄膜中心与第一刚性连接块130、第二刚性连接块230、第三刚性连接块310、第四刚性连接块423、第五刚性连接块530的形心同轴且依次刚性连接，构成刚性体700。

谐振结构420工作在第一液体接触膜100、第二液体接触膜500、密封环240、绝缘层300、外围框架410构成的真空腔体800内，谐振结构420面外振动时带动第一薄膜120和第二薄膜520在被测液体内振动。

本公开实施例微机电谐振式粘度传感器各组成元件采用MEMS圆片级制造工艺加工而成。其中，所述第一液体接触膜100和所述第二液体接触膜500采用玻璃腐蚀工艺制成，所述驱动和检测结构200和所述谐振器400采用硅片干法刻蚀工艺制成，所述绝缘层300采用SOI片氧化层腐蚀工艺制成，所述第一液体接触膜100、所述SOI组合体600和所述第二液体接触膜500的连接采用阳极键合工艺完成。

图9为依照本公开实施例的微机电谐振式粘度传感器中谐振器400工作模态示意图。请参阅图2和图9，本公开实施实例提供的基于真空封装面外振动谐振器及对称液体接触薄膜的微机电谐振式粘度传感器，其工作原理如下：通过驱动和检测结构的静电激励和电容检测，配合后端Q值测量电路，获得传感器谐振Q值；当传感器放置到液体中测试液体粘度时，液体在振动的第一薄膜120和第二薄膜520表面产生粘性阻尼，阻尼依次通过第一刚性连接块130、第二刚性连接块230、第三刚性连接块310、第四刚性连接块423和第五刚性连接块530，传递至谐振结构420，改变谐振结构420的振动阻尼，进而改变后端电路测得的Q值，Q值的变化反映了被测液体粘度的变化。

另外，传感器面向高精度集成应用时需要配置温度传感器，在传感器实际使用之前，要开展因变量为标准液体粘度和外界温度、自变量为Q值的校准。传感器在具体使用时，通过后端电路内嵌的多项式拟合和解算功能，实现电路输出即为温度补偿后的液体粘度。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开微机电谐振式粘度传感器有了清楚的认识。

综上所述，基于真空封装的面外振动谐振器和对称液体接触薄膜，本公开提供了一种微机电谐振式粘度传感器，该粘度传感器中的谐振器工作在高真空环境中，为谐振器构造真空环境的结构设置了一对结构对称的液体接触薄膜，谐振器平行置于于两个薄膜中间并且与薄膜通过刚体结构连接，传感器零点Q值可以高于10⁴数量级，预期传感器量程、灵敏度有大幅提升，同时极大地弱化了谐振器对外界压力的敏感性，有广阔的应用需求和市场前景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，该粘度传感器包括依次键合连接的第一液体接触膜(100)、SOI组合体(600)和第二液体接触膜(500)，所述第一液体接触膜(100)与所述第二液体接触膜(500)关于所述SOI组合体(600)镜像对称，其中：

所述SOI组合体(600)包括谐振器(400)，所述第一液体接触膜(100)在远离所述SOI组合体(600)的一侧具有第一薄膜(120)，所述第二液体接触膜(500)在远离所述SOI组合体(600)的一侧具有第二薄膜(520)，所述第一薄膜(120)与所述第二薄膜(520)的中心通过刚性体(700)连接于所述谐振器(400)的中心；

所述第一薄膜(120)与所述第二薄膜(520)之间形成有真空腔体(800)，所述谐振器(400)位于所述真空腔体(800)内，所述谐振器(400)在驱动力L用下带动所述第一薄膜(120)与所述第二薄膜(520)沿着垂直于薄膜平面的方向谐振工作。

2.根据权利要求1所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，所述谐振器(400)包括：

谐振结构(420)；以及

形成于所述谐振结构(420)四周用以固定所述谐振结构(420)的外围框架(410)。

3.根据权利要求2所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，所述谐振结构(420)包括两个第一可动电极(421)、两个第二可动电极(422)、一个第四刚性连接块(423)、四个偏置连接梁(425)和四个可动电极连接梁(426)，其中：

所述第四刚性连接块(423)位于所述谐振结构(420)的中心，两个第一可动电极(421)和两个第二可动电极(422)沿着以所述第四刚性连接块(423)为中心的圆周均匀间隔排布，使得两个第一可动电极(421)互相对称且两个第二可动电极(422)互相对称；

两个第一可动电极(421)、两个第二可动电极(422)和四个偏置连接梁(425)均连接于所述第四刚性连接块(423)，所述偏置连接梁(425)设置于第一可动电极(421)与第二可动电极(422)之间的间隙中，所述可动电极连接梁(426)将相邻的第一可动电极(421)和第二可动电极(422)固定连接于所述偏置连接梁(425)，使得第一可动电极(421)、第二可动电极(422)和偏置连接梁(425)连接成一体。

4.根据权利要求3所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，所述第一可动电极(421)和所述第二可动电极(422)均设置有呈阵列排布的多个阻尼弱化孔(424)，用于减小可动电极面外振动的压膜阻尼效应。

5.根据权利要求3所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，所述SOI组合体(600)还包括：

驱动和检测结构(200)，设置于所述谐振器(400)之上且位于所述真空腔体(800)内，用于驱动所述谐振器(400)振动，并检测所述谐振器(400)的输出信号；以及

绝缘层(300)，设置于所述驱动和检测结构(200)与所述谐振器(400)之间，用于所述驱动和检测结构(200)与所述谐振器(400)之间的电学绝缘隔离。

6.根据权利要求5所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，所述驱动和检测结构(200)包括两个第一固定电极(210)、两个第二固定电极(220)、一个第二刚性连接块(230)和一个密封环(240)，其中：

所述第二刚性连接块(230)位于所述驱动和检测结构(200)的中心，两个第一固定电极(210)和两个第二固定电极(220)沿着以所述第二刚性连接块(230)为中心的圆周均匀间隔排布，使得两个第一固定电极(210)互相对称且两个第二固定电极(220)互相对称；

所述密封环(240)形成于两个第一固定电极(210)和两个第二固定电极(220)的四周，且不连接于两个第一固定电极(210)和两个第二固定电极(220)，所述密封环(240)参与形成所述真空腔体(800)。

7.根据权利要求6所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，所述谐振器(400)采用静电驱动-电容检测的工作原理，所述谐振器(400)中的可动电极与所述驱动和检测结构(200)中的固定电极平行，且设置为一一对应的位置关系，所述第一可动电极(421)与所述第一固定电极(210)构成驱动电极对，所述第二可动电极(422)与所述第二固定电极(220)构成检测电极对。

8.根据权利要求7所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，

所述第一固定电极(210)与后端驱动电路相连，用于给所述第一可动电极(421)提供面外振动的驱动力；

所述第二固定电极(220)与后端检测电路相连，用于拾取所述第二可动电极(422)振动引起的电容变化量；

所述第二刚性连接块(230)与所述第四刚性连接块(423)平行对应，形心同轴。

9.根据权利要求6所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，所述绝缘层(300)包括：

第三刚性连接块(310)；以及

形成于所述第三刚性连接块(310)四周用以隔离驱动和检测结构(200)与谐振器(400)的外围绝缘层(320)；

其中，所述外围绝缘层(320)参与形成所述真空腔体(800)；所述第三刚性连接块(310)与所述第二刚性连接块(230)、所述第四刚性连接块(423)平行对应，形心同轴，并且将所述第二刚性连接块(230)与所述第四刚性连接块(423)刚性连接在一起。

10.根据权利要求5所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，所述驱动和检测结构(200)、所述绝缘层(300)和所述谐振器(400)是在一片SOI片上制作形成SOI组合体(600)。

11.根据权利要求5所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，

所述第一液体接触膜(100)包括第一薄膜(120)、第一刚性连接块(130)和多个驱动和检测电极通孔(110)，其中所述驱动和检测电极通孔(110)用于穿过电学导线，实现两个第一固定电极(210)与后端驱动电路的连接，以及两个第二固定电极(220)与后端检测电路的连接；

所述第二液体接触膜(500)包括第二薄膜(520)、第五刚性连接块(530)和一个偏置电极通孔(510)，其中所述偏置电极通孔(510)用于穿过电学导线，实现所述谐振器(400)与后端偏置电路的连接；

所述第一刚性连接块(130)将所述第一薄膜(120)与所述第二刚性连接块(230)刚性连接，所述第五刚性连接块(530)将所述第二薄膜(520)与所述第四刚性连接块(423)刚性连接，从而实现所述第一薄膜(120)、所述第二薄膜(520)与所述谐振结构(420)的连接。

12.根据权利要求11所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，所述第一薄膜(120)与所述第二薄膜(520)结构相同且互相平行，薄膜外表面均接触待测液体，薄膜中心与所述第一刚性连接块(130)、所述第二刚性连接块(230)、所述第三刚性连接块(310)、所述第四刚性连接块(423)、所述第五刚性连接块(530)的形心同轴且依次刚性连接，构成所述刚性体(700)。

13.根据权利要求12所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，所述第一液体接触膜(100)、所述SOI组合体(600)和所述第二液体接触膜(500)依次键合连接构建成所述真空腔体(800)；

所述谐振结构(420)工作在所述第一液体接触膜(100)、所述第二液体接触膜(500)、所述密封环(240)、所述绝缘层(300)、所述外围框架(410)构成的所述真空腔体(800)内，所述谐振结构(420)面外振动时带动所述第一薄膜(120)与所述第二薄膜(520)在被测液体内振动。

14.根据权利要求13所述的微机电谐振式粘度传感器，其特征在于，该粘度传感器各组成元件采用MEMS圆片级制造工艺加工而成，其中：

所述第一液体接触膜(100)和所述第二液体接触膜(500)采用玻璃腐蚀工艺制成，

所述驱动和检测结构(200)和所述谐振器(400)采用硅片干法刻蚀工艺制成，

所述绝缘层(300)采用SOI片氧化层腐蚀工艺制成；

所述第一液体接触膜(100)、所述SOI组合体(600)和所述第二液体接触膜(500)的连接采用阳极键合工艺完成。

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