阅读说明：本技术 一种多操作模式的压电黏度传感器芯片及其工作方法和制备方法 (Multi-operation-mode piezoelectric viscosity sensor chip and working method and preparation method thereof ) 是由 赵立波 黄琳雅 王路 谭仁杰 卢德江 罗国希 杨萍 王永录 王久洪 蒋庄德 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多操作模式的压电黏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。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,双压电电极既可用于通入一定频率的交变电压并利用逆压电效应产生压电驱动力,也可将硅微悬臂梁谐振器的振动信号通过压电效应转化为可检测电压信号,四根压阻梁上的四个敏感压阻条通过压阻衔接梁上的金属引线构成惠斯通全桥,用于检测谐振应力并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谐振器的面内振动模态,振动电信号的输出采用压电与压阻双检测模式,该黏度传感器芯片在流体中具备高品质因子,能够显著提升流体黏度的适用范围与测量精度。(The invention discloses a multi-operation-mode piezoelectric viscosity sensor chip and a working method and a preparation method thereof. The silicon micro-resonance cantilever beam structure is covered with a low-stress aluminum nitride piezoelectric film through an MEMS (micro electro mechanical system) process, the double piezoelectric electrodes can be used for introducing alternating voltage with certain frequency and generating piezoelectric driving force by utilizing inverse piezoelectric effect, vibration signals of the silicon micro-resonance cantilever beam resonator can be converted into detectable voltage signals through piezoelectric effect, four sensitive piezoresistive strips on the four piezoresistive beams form a Wheatstone full bridge through metal leads on piezoresistive connecting beams, the Wheatstone full bridge is used for detecting resonance stress and converting the resonance stress into voltage signals for output, an in-plane vibration mode of the cantilever beam resonator can be obtained through a piezoelectric excitation mode, the output of the vibration signals adopts a piezoelectric and piezoresistive double detection mode, the viscosity sensor chip has a high-quality factor in fluid, and the application range and the measurement precision of the fluid viscosity can be remarkably improved.)

一种多操作模式的压电黏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，涉及一种多操作模式的压电黏度传感器芯片及其工作方法和制备方法。

背景技术

基于MEMS技术的谐振黏度传感器芯片对流体黏度特性的检测，依托于所附着流体分子附加质量变化与黏滞力变化而引起的谐振器谐振频率与品质因子的变化，相较传统黏度计具有体积小、易操作、灵敏度高等优越的测量性能。但流体黏度对MEMS谐振黏度传感器芯片的品质因子有不可忽视的影响，中高黏度流体对浸没其中的黏度谐振器产生显著的流体黏性阻尼，流体阻尼力较大、谐振器阻尼抗性弱，均会显著降低谐振器的品质因子，降低谐振器振动稳定性，使MEMS黏度传感器芯片面临适用范围窄、精度低、便捷性差等关键问题。

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多操作模式的压电黏度传感器芯片及其工作方法和制备方法，以期在提升黏度传感器在流体中的品质因子与流体阻尼抗性，提升黏度传感器的黏度测量范围与测量精度的同时，提高谐振黏度传感器的便携性与可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种多操作模式的压电黏度传感器芯片，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另一侧连接，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对称布置，第三压阻梁和第四压阻梁关于第二压阻衔接梁对称布置；

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上的敏感压阻条电连接形成惠斯通全桥。

优选的，第一压阻衔接梁和第二压阻衔接梁位于固支梁结构长度方向的中部，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。

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，本发明给出多操作模式的压电黏度传感器芯片结构尺寸特例，微悬臂梁悬空结构的尺寸为：长×宽＝(1100±5)×(1400±5)μm²；固支梁结构(6)尺寸为：长×宽＝(310±5)×(270±5)μm²；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；第一压阻衔接梁和第二压阻衔接梁尺寸为：长×宽＝(60±5)×(85±5)μm²；金属引线宽度为：20±10μm，硅微悬臂梁谐振器厚度为：30±10μm。

本发明所述的多操作模式的压电黏度传感器芯片的工作方法，包括如下过程：

采用压电激励方式激发硅微悬臂梁谐振器的面内振动模态；

对于压电激励、压电检测工作模式，对第一压电电极和第二压电电极中的其中一个通入正弦交变电压，构成顶电极通电、底电极接地的方式，固支梁结构在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内谐振固有频率时，产生面内谐振模态，固支梁结构的振动使第一压电电极和第二压电电极中的另一个由于压电效应产生交变电压；

对于压电激励、压阻检测工作模式，对第一压电电极和第二压电电极同时通入反相交变正弦电压，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内谐振固有频率时，产生面内谐振模态，使第一压阻梁、第二压阻梁、第三压阻梁和第四压阻梁产生振动，并使其上的敏感压阻条阻值发生改变，从而通过惠斯通全桥输出交变电压检测信号。

本发明所述的多操作模式的压电黏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，制备得到所述多操作模式的压电黏度传感器芯片。

优选的，步骤4中，利用化学气相沉积(PECVD)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：

本发明的多操作模式的压电黏度传感器芯片：将硅微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，提高黏度测量灵敏度，且满足黏度传感器对低成本、高可靠性的设计要求；谐振器的工作模态为面内振动模态，流体作用形式以滑膜阻尼为主导，显著显小流体阻尼力对谐振器的振动抗力，同时增加谐振器的流体阻尼抗性与品质因子，提升黏度传感器的测量范围、精度与稳定性；传感器可采用压电激励、压电检测与压电激励、压阻检测工作模式，压电激励为传感器提供可靠的振动驱动力，压电检测与压阻检测可满足传感器低、中、高黏度流体的高效测量要求，且压电激励方式，为黏度传感器芯片的微型化、集成化封装提供便利，提升黏度传感器的使用便捷性。

本发明多操作模式的压电黏度传感器芯片的工作方法采用压电激励方式激发硅微悬臂梁谐振器的面内振动模态，以压电检测工作模式或压阻检测工作模式进行工作，实现了多操作模式。

本发明多操作模式的压电黏度传感器芯片的制备方法简单，制备的传感器芯片能够有效解决黏度测量范围窄、精度低、便捷性差等问题。

附图说明

图1为本发明多操作模式的压电黏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为硅微悬臂梁谐振器的面内振动模态仿真图。

图4为传感器芯片在乙醇中的频域特性曲线图。

图5为本发明多操作模式的压电黏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，本发明的多操作模式的压电黏度传感器芯片，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；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；压阻梁和压阻衔接梁均布置在固支梁两侧，其中第一压阻梁2-1和第二压阻梁2-2通过第一压阻衔接梁9-1连接，第三压阻梁2-3和第四压阻梁2-4通过第二压阻衔接梁9-2连接，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布置；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对称布置，使四根压阻梁能够最大程度检测硅微悬臂梁谐振器在面内弯曲振动时的谐振应力，同时保证相互对称压阻梁间具有相同的谐振应力，提升黏度检测的压阻拾振电信号输出与可靠性；第一压阻梁2-1和第四压阻梁2-4两端分别与微悬臂梁悬空结构1和压阻衔接梁9-1、9-2相连，第二压阻梁2-2和第三压阻梁2-3两端分别与压阻衔接梁9-1、9-2与硅基底5相连；

压电电极包括第一压电电极7和第二压电电极8，二者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，并关于压电氮化铝薄膜沿厚度方向对称布置，且底电极接地；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。

金属引线3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敏感压阻条构成的惠斯通全桥通入恒定电流，并输出基于压阻效应产生的交变电压；与压电电极相连的部分金属引线分别与第一压电电极和第二压电电极相连，可用于为压电电极提供交变电压与输出基于压电效应产生的交变电压。

微悬臂梁悬空结构1作为流体黏度属性的敏感结构，其通过压电驱动可激发出面内谐振模态，振动方向沿传感器芯片的宽度方向。

采用压电激励方式激发硅微悬臂梁谐振器的面内振动模态，对于压电激励、压电检测工作模式，与压电电极相连的两根导线，将与其中一个压电电极相连的一根导线通入正弦交变电压，构成顶电极通电、底电极接地的方式，则根据逆压电效应，固支梁会在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内谐振固有频率时，便会产生面内谐振模态，固支梁的振动使另一个压电电极由于压电效应而产生交变电压。

对于压电激励、压阻检测工作模式，与压电电极相连的两根导线同时通入反相交变正弦电压，构成双压电电极的顶电极通电、底电极接地方式，则根据逆压电效应，固支梁会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内谐振固有频率时，便会产生面内谐振模态，压阻梁的振动使其上的敏感压阻条产生阻值变化，并通过惠斯通全桥输出交变电压检测信号。

本发明的多操作模式的压电黏度传感器芯片具有压电激励、压电检测与压电激励、压阻检测两种操作模式，其中压电检测所需信号输入输出端口少，压电驱动力相较压阻检测模式减半，因而更适用于低黏流体、便捷性要求高的流体黏度测量；相反，压阻检测模式相较压电检测模式，具有双倍压电驱动力，可满足高黏度流体的可靠性黏度测量。

作为多操作模式的压电黏度传感器芯片结构尺寸的优选实施例，微悬臂梁悬空结构尺寸为：长×宽＝1100×1400μm²，固支梁结构尺寸为：长×宽＝310×270μm²，压阻梁结构尺寸为：长×宽＝125×8μm²，压阻衔接梁结构尺寸为：长×宽＝60×85μm²，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仿真软件对所述硅微悬臂梁谐振器进行流固耦合仿真分析，谐振器面内振动方向平行于传感器芯片方向，即y轴方向。仿真频域曲线如图4所示，选用乙醇为仿真流体(密度为789.4kg/m³，黏度为1.2cP)，得到面内振动模态下的谐振频率87kHz，利用半功率法计算得到品质因子可达362，可见该振动模态可显著增加黏度传感器芯片的流体阻尼抗性，提升品质因子与黏度测量性能。

如图5所示，本发明多操作模式的压电黏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厚度为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，刻蚀掉压阻梁结构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，刻蚀掉压阻梁端部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的沉积厚度为100～200nm，氮化硅层14-2的沉积厚度为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，钼薄膜15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以及电气连接敏感压阻条的金属引线3和焊盘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，制备得到压电黏度传感芯片。

本发明制备得到的传感器芯片的主要技术指标如下：

1、谐振频率：80kHz～90kHz

2、黏度测量范围：0.1mPa·s～100mPa·s；

3、测量精度：优于±1％FS；

4、工作温度：-20℃～80℃。

综上，本发明通过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，压电电极分别布置在沿固支梁结构宽度方向两侧，既可用于通入一定频率的交变电压并利用逆压电效应产生压电驱动力，也可将硅微悬臂梁谐振器的振动信号通过压电效应转化为可检测电压信号，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谐振器的面内振动模态，振动电信号的输出采用压电与压阻双检测模式，用以保证不同使用条件下流体黏度测量的稳定性、准确性，该黏度传感器芯片在流体中具备高品质因子，能够显著提升流体黏度的适用范围与测量精度。

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。