阅读说明：本技术 一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片及其工作方法和制备方法 (High-quality factor piezoelectric cantilever beam density sensor chip and working method and preparation method thereof ) 是由 赵立波 黄琳雅 徐廷中 谭仁杰 李支康 杨萍 卢德江 王永录 王久洪 蒋庄德 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片及其工作方法和制备方法,包括硅基底和硅微悬臂梁谐振器,其中硅微悬臂梁谐振器包括微悬臂梁悬空结构、固支梁结构、压阻梁结构以及压阻衔接梁结构。通过MEMS工艺使硅微谐振悬臂梁结构覆盖有低应力氮化铝压电薄膜,双压电电极用于通入一定频率的交变电压并基于逆压电效应产生压电驱动力,四根压阻梁上的四个敏感电阻条通过压阻衔接梁上的金属引线连接构成惠斯通全桥,用于检测谐振应力并通过布置惠斯通电桥将其转化为电压信号输出,通过压电激励方式可以得到悬臂梁面外振动模态,该密度传感器芯片在流体中具备高灵敏度、高品质因子,能够显著提升流体密度测量的使用范围,测量精度与灵敏度高。(The invention discloses a high-quality factor piezoelectric cantilever beam density sensor chip and a working method and a preparation method thereof. The MEMS technology is adopted to enable the silicon micro-resonance cantilever beam structure to be covered with a low-stress aluminum nitride piezoelectric film, the double piezoelectric electrodes are used for introducing alternating voltage with certain frequency and generating piezoelectric driving force based on inverse piezoelectric effect, four sensitive resistance strips on the four piezoresistive beams are connected through metal leads on the piezoresistive connecting beams to form a Wheatstone full bridge, the Wheatstone full bridge is used for detecting resonance stress and converting the resonance stress into voltage signals to be output through arranging the Wheatstone bridge, an out-of-plane vibration mode of the cantilever beam can be obtained through a piezoelectric excitation mode, the density sensor chip has high sensitivity and high quality factors in fluid, the application range of fluid density measurement can be remarkably improved, and the measurement precision and the sensitivity are high.)

一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片及其工作方法和 制备方法

技术领域

本发明涉及MEMS(Micro Electromechanical Systems，微型机械电子系统)传感器领域，更具体地说，涉及一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片及其工作方法和制备方法。

背景技术

基于MEMS技术的谐振式密度传感器对流体密度特性的检测，依托于所附着流体分子附加质量变化而引起的谐振器件谐振频率的变化，相较传统密度计具有体积小、易操作、灵敏度高等优越的测量性能。但流体黏度通过影响密度谐振器的品质因子，对谐振器的振动稳定性，以及中高黏流体密度测量的适用性与测量精度也有不可忽视的作用，随着各行业对低、中、高黏度流体提出的密度检测高要求，MEMS密度传感器仍面临适用范围窄、灵敏度低、便捷性差等显著问题。

品质因子与密度测量灵敏度是MEMS谐振密度传感器的重要指标，牛顿、非牛顿液体以及低高黏度液体均对MEMS谐振密度传感器的谐振器品质因子产生显著影响，而基于面外振动的密度谐振器与流体分子相互作用时，以较大的长度-宽度面为主导，使其增加密度灵敏度的同时因具有较大的压膜流体阻尼使其品质因子受流体阻尼影响剧烈；反之，基于面内振动的密度谐振虽因受滑膜阻尼作用，能够显著提升抗流体阻尼特性，但其振动形式使其与流体分子的作用仅为谐振器的宽度-厚度面，极大减小了流体密度变化引起的频率变化，降低了密度测量灵敏度。因而，提升MEMS密度谐振传感器的品质因子，同时具有良好的密度测量灵敏度，是当前该类传感器的重要发展方向。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片及其工作方法和制备方法，以期同时提升传感器芯片的品质因子和密度测量灵敏度，从而提升密度测量精度、灵敏度与适用范围，同时兼顾传感器的工作便捷性与可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片，包括硅基底和硅微悬臂梁谐振器，硅微悬臂梁谐振器包括微悬臂梁悬空结构、固支梁结构、压阻梁结构和压阻衔接梁结构；硅基底上设有空腔，微悬臂梁悬空结构设置于空腔中，微悬臂梁悬空结构与硅基底之间通过固支梁结构连接；

压阻衔接梁包括第一压阻衔接梁和第二压阻衔接梁，第一压阻衔接梁和第二压阻衔接梁在固支梁结构沿宽度方向的两侧对称设置；

压阻梁结构包括第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁和第四压阻梁；第一压阻梁的一端与微悬臂梁悬空结构连接，第一压阻梁的另一端与第一压阻衔接梁的一侧连接；第二压阻梁的一端与第一压阻衔接梁的另一侧连接，第二压阻梁的另一端与硅基底连接；第三压阻梁的一端与第二压阻衔接梁的一侧连接，第三压阻梁的另一端与硅基底连接；第四压阻梁的一端与微悬臂梁悬空结构连接，第四压阻梁的另一端与第二压阻衔接梁的另一侧连接；第一压阻梁与第四压阻梁关于固支梁结构对称布置，第二压阻梁和第三压阻梁关于固支梁结构对称布置，第一压阻梁与第二压阻梁关于第一压阻衔接梁非对称布置，第三压阻梁和第四压阻梁关于第二压阻衔接梁非对称布置；

固支梁结构在其宽度方向的两侧分别设有第一压电电极和第二压电电极，第一压电电极和第二压电电极均包括顶电极和底电极；

第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁、第四压阻梁、第一压电电极和第二压电电极均通过金属引线连接有焊盘，第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁和第四压阻梁电连接形成惠斯通全桥。

优选的，第一压阻梁与第四压阻梁之间的间距大于第二压阻梁和第三压阻梁之间的间距。

优选的，第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁和第四压阻梁的长度、宽度和厚度均相同；第一压阻衔接梁和第二压阻衔接梁的长度、宽度和厚度均相同。

优选的，第一压电电极的顶电极和底电极与第二压电电极的顶电极和底电极的形状、大小均相同。

优选的，本发明给出一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片的特例尺寸，微悬臂梁悬空结构的尺寸为：长×宽＝(1100±5)×(1400±5)μm²，厚度为30±10μm；固支梁结构的尺寸为：长×宽＝(280±5)×(270±5)μm²，厚度为30±10μm；第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁和第四压阻梁的尺寸为：长×宽＝(125±3)×(8±3)μm²，厚度为30±10μm；第一压阻衔接梁和第二压阻衔接梁的尺寸为：长×宽＝(30±5)×(320±5)μm²，厚度为30±10μm；第一压阻梁与固支梁结构之间的间距以及第四压阻梁与固支梁结构之间的间距为：160±5μm；第二压阻梁与固支梁结构之间的间距以及第三压阻梁与固支梁结构之间的间距为：260±5μm；金属引线宽度为：20±10μm。

本发明所述的高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片的工作方法，包括如下过程：

在测量被测流体的密度时，对第一压电电极和第二压电电极同时通入同相交变正弦电压，构成双压电电极的顶电极通电、底电极接地方式，根据逆压电效应，固支梁结构在双压电驱动力的作用下带动微悬臂梁悬空结构产生振动，当交变电压频率接近硅微悬臂梁谐振器的面外谐振的固有频率时，产生面外谐振模态，带动第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁和第四压阻梁振动，并通过惠斯通全桥输出交变电压检测信号。

本发明所述的高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：双面氧化N型(100)SOI硅片，正反两面生成热氧二氧化硅层；

步骤2：在完成步骤1的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉压阻梁结构对应区域内的热氧二氧化硅，其余区域的热氧二氧化硅层充当掩模，在露出的器件层上进行硼离子轻掺杂，将硼离子轻掺杂区域作为压阻梁结构上的敏感压阻条；

步骤3：在完成步骤2的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉压阻梁端部应区域的热氧二氧化硅，在露出器件层上进行硼离子重掺杂，形成低阻值的欧姆接触区；

步骤4：对完成步骤3的SOI硅片进行正反两面的薄膜沉积，依次制备出氮化硅层和二氧化硅层；

步骤5：对完成步骤4的SOI硅片正面进行金属薄膜沉积，沉积的金属薄膜既用于压电氮化铝薄膜的衬底，又用作压电电极的底电极；

步骤6：对完成步骤5的SOI硅片正面进行压电AlN薄膜溅射，得到AlN薄膜；

步骤7：对完成步骤6的SOI硅片正面干法刻蚀引线孔，之后进行金属电极层溅射，并利用剥离工艺形成压电电极以及电气连接敏感压阻条的金属引线和焊盘；

步骤8：对完成步骤7的SOI硅片进行干法刻蚀，依次对正面区域、背腔区域进行干法刻蚀，从而实现硅微悬臂梁谐振器的释放，制备得到所述高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片。

优选的，步骤4中，利用化学气相沉积技术依次制备出氮化硅层和二氧化硅层。

优选的，步骤5中，金属薄膜采用钼薄膜。

优选的，步骤5中，利用磁控溅射技术沉积金属薄膜；步骤6中，利用磁控溅射技术制备AlN薄膜。

本发明具有如下有益效果：

本发明高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片将硅微谐振悬臂梁结构作为谐振器件，其较大表面积增加与流体分子的作用面积，提高密度测量灵敏度，且满足密度传感器对低成本、高可靠性的设计要求；谐振器可通过压电激励出面外振动模态，且同时具备面外、面内振动的特性，使其能够减小流体阻尼作用的同时，兼顾与流体的作用面积，能够同时提升传感器的品质因子和密度测量灵敏度；本发明的高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片采用压电激励、压阻检测工作模式，具有易操作、可靠性好等优点，为密度传感器芯片的微型化、集成化封装提供便利，提升密度传感器的使用便捷性。本发明中第一压阻梁与第二压阻梁关于第一压阻衔接梁非对称布置，第三压阻梁和第四压阻梁关于第二压阻衔接梁非对称布置，即本发明压阻梁采用这种沿压阻衔接梁宽度方向的非对称布置，能够避免单根压阻梁上由于面外弯曲带来的拉压应力耦合。

进一步的，第一压阻梁与第四压阻梁之间的间距大于第二压阻梁和第三压阻梁之间的间距，这种布设形式能够提高压阻梁上的有效谐振拉/压应力，增强密度检测的压阻拾振电信号输出以及密度检测精度、灵敏度。

本发明高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片的制备方法简单易行，制备得到的传感器芯片能够有效解决密度测量范围窄、灵敏度低、便捷性差等问题。

附图说明

图1为本发明高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片的整体结构示意图。

图2为图1中A部的放大示意图。

图3为本发明硅微悬臂梁谐振器的面外振动模态仿真图。

图4为本发明传感器芯片在乙醇中的频域特性曲线图。

图5为本发明传感器芯片在五种不同流体中的频率变化曲线图。

图6为本发明高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片的制备工艺流程图。

图中，1-微悬臂梁悬空结构，2-1-第一压阻梁，2-2-第二压阻梁，2-3-第三压阻梁，2-4-第四压阻梁，3-金属引线，4-焊盘，5-硅基底，5-1-空腔，6-固支梁结构，7-第一压电电极，8-第二压电电极，9-1-第一压阻衔接梁，9-2-第二压阻衔接梁，10-热氧二氧化硅层，11-1-器件层，11-2-埋氧层，11-3-衬底层，12-敏感压阻条，13-欧姆接触区，14-1-二氧化硅层，14-2-氮化硅层，15-钼薄膜，16-AlN薄膜，17-压电电极。

具体实施方式

下面将结合附图，并通过实例，对本发明的优选实施作进一步详细描述。

如图1与图2所示，本发明高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片，包括硅基底5和硅微悬臂梁谐振器；硅微悬臂梁谐振器包括微悬臂梁悬空结构1、固支梁结构6、压阻梁结构和压阻衔接梁结构；压阻衔接梁包括第一压阻衔接梁9-1和第二压阻衔接梁9-2，第一压阻衔接梁9-1和第二压阻衔接梁9-2在固支梁结构6沿宽度方向的两侧对称设置；压阻梁结构包括第一压阻梁2-1、第二压阻梁2-2、第三压阻梁2-3和第四压阻梁2-4；第一压阻梁2-1的一端与微悬臂梁悬空结构1连接，第一压阻梁2-1的另一端与第一压阻衔接梁9-1的一侧连接；第二压阻梁2-2的一端与第一压阻衔接梁9-1的另一侧连接，第二压阻梁2-2的另一端与硅基底5连接；第三压阻梁2-3的一端与第二压阻衔接梁9-2的另一侧连接，第三压阻梁2-3的另一端与硅基底5连接；第四压阻梁2-4的一端与微悬臂梁悬空结构1连接，第四压阻梁2-4的另一端与第二压阻衔接梁9-2的一侧连接；第一压阻梁2-1与第四压阻梁2-4关于固支梁结构6对称布置，第二压阻梁2-2和第三压阻梁2-3关于固支梁结构6对称布置，第一压阻梁2-1与第二压阻梁2-2关于第一压阻衔接梁9-1非对称布置，第三压阻梁2-3和第四压阻梁2-4关于第二压阻衔接梁9-2非对称布置。第一压阻梁2-1、第二压阻梁2-2、第三压阻梁2-3和第四压阻梁2-4的设置形式能够最大程度检测硅微悬臂梁谐振器在面外振动时的谐振应力，能够避免面外弯曲带来压阻梁上的拉压应力耦合，且与微悬臂梁悬空结构相连的压阻梁与固支梁间的距离大于与硅基底相连的压阻梁与固支梁间的距离，保证对称压阻梁间具有相同的谐振应力，非对称压阻梁具有最大程度相近的谐振应力，提高压阻梁上的有效谐振拉/压应力，增强密度检测的压阻拾振电信号输出与可靠性；

压电电极包括第一压电电极7和第二压电电极8，第一压电电极7和第二压电电极8均包括一个顶电极和底电极，由于底电极布置于压电氮化铝薄膜之下，故而结构图仅示出顶电极，底电极与顶电极大小、形状完全相同，底电极与顶电极关于压电氮化铝薄膜沿厚度方向对称布置，且底电极用于接地；第一压电电极7与第二压电电极8沿固支梁结构6宽度方向对称布置。

微悬臂梁悬空结构1作为流体密度属性的敏感结构，其通过逆压电效应可激发出面外谐振模态，悬臂梁谐振形态与波浪形相似。

本发明传感器芯片采用面外振动模态作为工作模态进行流体密度测量，该模态下微悬臂梁悬空结构的谐振位移幅值沿长度方向呈现非线性分布，使其振动方向可分为沿传感器芯片厚度方向和长度方向的分量，且以厚度方向的谐振位移为主导，使该模态同时具备面外与面内振动的特征，且以面外振型为主导。

金属引线可分为与压阻相连的部分以及与压电电极相连的部分；其中与压阻相连的部分金属引线用于连接敏感压阻条构成惠斯通全桥，并通入恒定电流，基于压阻效应产生输出交变电压；与压电电极相连的部分金属引线分别与第一压电电极、第二压电电极相连，用于为AlN薄膜提供交变电压，并通过逆压电效应为传感器芯片提供压电驱动力。硅微悬臂梁谐振器的固支梁结构末端与硅基底固定连接。

采用压电激励、压阻检测工作方式。与两个压电电极相连的金属引线同时通入同相交变正弦电压，构成双压电电极的顶电极通电、底电极接地方式，根据逆压电效应，固支梁结构6会在双压电驱动力的作用下带动微悬臂梁悬空结构1产生振动，当交变电压频率接近硅微悬臂梁谐振器的面外谐振固有频率时，便会产生面外谐振模态，压阻梁的振动使其上的敏感压阻条感受传感器振动，并基于压阻效应和惠斯通全桥输出交变电压检测信号。压阻梁采用沿压阻衔接梁宽度方向的非对称布置，避免单根压阻梁上由于面外弯曲带来的拉压应力耦合，同时将压阻梁布置于靠近压阻衔接梁的悬臂端，用于提高压阻梁上的有效谐振拉/压应力，增强压阻拾振电信号的输出。采用压电激励、压阻检测工作方式，有效提高谐振器在流体中的振动驱动力与振动稳定性，并进行有效可靠的振动信号检测。

作为一个实施例，微悬臂梁悬空结构1的尺寸为：长×宽＝1100×1400μm²，固支梁结构6的尺寸为：长×宽＝280×270μm²，压阻梁结构的尺寸为：长×宽＝125×8μm²，压阻衔接梁结构的尺寸为：长×宽＝30×320μm²，第一压阻梁2-1与固支梁结构6之间的间距以及第四压阻梁2-4与固支梁结构6之间的间距为：260μm，第二压阻梁2-2与固支梁结构6之间的间距以及第三压阻梁2-3与固支梁结构6之间的间距为：160μm，金属引线宽度：20μm，硅微悬臂梁谐振器厚度为30μm。

如图3，通过Comsol Multiphysics仿真软件对具有上述尺寸的硅微悬臂梁谐振器进行流固耦合仿真分析，谐振器为面外谐振模态，该谐振模态具有厚度z轴方向与长度x轴方向分量，且以厚度z轴方向的谐振位移为主导，使该波形模态同时具备面外与面内振动的形态特征，且以面外振型为主导。仿真频域曲线如图4所示，选用乙醇(密度为789.4kg/m³，黏度为1.2cP)为仿真流体，得到面外振动模态下的谐振频率为71kHz，利用半功率法计算得到品质因子可达139，可见该振动模态可显著增加传感器芯片的品质因子。如图5所示，选用五种常见烷烃类、醇类流体进行流固耦合仿真分析，得到不同流体中的谐振频率变化曲线，其斜率即为该传感器芯片的密度测量灵敏度34Hz/(kg·m³)。可见，该压电悬臂梁密度传感器芯片在满足高品质因子的同时，具备良好的密度测量灵敏度。

如图6所示，本发明高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：使用N型(100)SOI硅片，SOI硅片的器件层11-1、埋氧层11-2、衬底层11-3的厚度分别为30μm、1μm、300μm，双面氧化SOI硅片，使在硅片正反两面生成热氧二氧化硅层10；

步骤2：在完成步骤1的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉压阻梁区域内的热氧二氧化硅，其余区域的热氧二氧化硅层充当掩模，在露出的器件层上进行硼离子轻掺杂，将硼离子轻掺杂区域作为压阻梁上的敏感压阻条12，25℃下压阻阻值为(4400±50)Ω；

步骤3：在完成步骤2的SOI硅片正面进行刻蚀，刻蚀掉相应区域的热氧二氧化硅，在露出器件层上进行硼离子重掺杂，形成低阻值的欧姆接触区13；

步骤4：对完成步骤3的SOI硅片进行正反两面的二氧化硅层与氮化硅层沉积，利用化学气相沉积(PECVD)技术制备二氧化硅层14-1沉积厚度为100～200nm，氮化硅层14-2沉积厚度为200～400nm；

步骤5：对完成步骤4的SOI硅片正面进行钼薄膜沉积，利用磁控溅射技术沉积钼薄膜15的厚度为100～200nm，既用于压电氮化铝薄膜的衬底，也用作压电底电极；

步骤6：对完成步骤5的SOI硅片正面进行压电AlN薄膜溅射，利用磁控溅射技术制备得到AlN薄膜16的厚度为(1±0.5)μm；

步骤7：对完成步骤6的SOI硅片正面干法刻蚀引线孔，之后进行金属电极层溅射，并利用剥离工艺形成压电电极17以及电气连接敏感压阻条12的金属引线3与焊盘4；

步骤8：对完成步骤7的SOI硅片进行干法刻蚀，依次对正面区域、背腔区域进行干法刻蚀，从而实现硅微悬臂梁谐振器的释放，制备得到高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片。

本发明制备得到的高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片的主要技术指标如下：

1、谐振频率：60kHz～80kHz

2、密度适用范围：100kg/m³～1500kg/m³

3、黏度适用范围：0.1mPa·s～50mPa·s；

4、测量精度：优于±0.3％FS；

5、工作温度：-20℃～80℃；

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。