[发明专利]一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片及其制备方法

权利要求书

1.一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，其特征在于，包括H型硅微双端固支梁结构和硅基底(6)；H型硅微双端固支梁结构包括振子(1)、设置于振子(1)两侧的四个弹性固支梁和导线(7～8)；

四个弹性固支梁包括第一弹性固支梁(2)、第二弹性固支梁(3)、第三弹性固支梁(4)和第四弹性固支梁(5)；第一弹性固支梁(2)和第二弹性固支梁(3)平行设置于矩形的振子(1)一侧，第三弹性固支梁(3)和第四弹性固支梁(4)平行设置于矩形的振子(1)另一侧；第一弹性固支梁(2)和第四弹性固支梁(5)位于同一直线上；第二弹性固支梁(3)和第三弹性固支梁(4)位于同直线上；振子(1)和四个弹性固支梁呈H型；导线(7～8)包括两条，一条设置于第一弹性固支梁(2)和第四弹性固支梁(5)上，另一条设置于第二弹性固支梁(3)和第三弹性固支梁(4)上；

H型硅微双端固支梁结构的四个弹性固支梁末端固定于硅基底(6)的空腔中；

测量流体黏度时，基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片浸入被测流体中，H型硅微双端固支梁结构中振子(1)的振动方向为y方向，z方向垂直于振子(1)上表面，x方向平行于弹性固支梁的长度方向；x方向、y方向和z方向相互垂直构成直角坐标系；

被测流体的黏度η_f为：

其中，η_f与ρ_f分别为待测流体的测量黏度和测量密度，C为常数，f_f为H型双端固支梁在流体中的谐振频率，Q_f和Q_vac分别为H型双端固支梁在被测流体和真空环境中的品质因子；

被测流体的密度ρ_f为：

其中，f为H型硅微双端固支梁结构的本征频率，h、l和ρ_c分别为H型硅微双端固支梁结构的厚度、长度和密度，w为弹性固支梁的宽度，E为H型硅微双端固支梁结构的杨氏模量，f_fluid为H型硅微双端固支梁结构在被测流体中的谐振频率；

公式(1)中将η_f与ρ_f替换为待测液体的参考值，其它参数代入测试值，计算出常数C；

所述基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片能够实现面内振动，且与被测流体之间为滑膜阻尼。

2.根据权利要求1所述的一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，其特征在于，所述硅基底(6)底部外加磁铁，用于为传感器芯片提供外界恒定磁场，磁场方向垂直于传感器芯片平面。

3.根据权利要求1所述的一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，其特征在于：所述振子(1)为矩形截面质量块，测量时在流体中进行面内振动，振动方向平行于传感器芯片平面。

4.根据权利要求1所述的一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，其特征在于，两根导线中一根导线通入正弦交变电流，则所在的弹性固支梁在恒定磁场内受交变洛伦兹力做面内振动，振动方向平行于传感器芯片平面，并带动振子和另一侧固支梁产生受迫振动；另一根导线在磁场中切割磁感线产生感应电动势。

5.根据权利要求1所述的一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，其特征在于，两根导线的末端均设有焊盘，焊盘布置于硅基底(6)上，用于和外接电路的连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，其特征在于，H型硅微双端固支梁结构和硅基底(6)上表面覆盖一层氮化硅绝缘保护层。

7.根据权利要求1所述的一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，其特征在于，振子(1)和设置于振子(1)两侧的四个弹性固支梁由单晶硅制成。

8.权利要求1至7中任一项所述的一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将p型(100)晶面SOI片清洗干净；SOI片从上到下分为三层：上层单晶硅(13)、二氧化硅埋层(14)和下层单晶硅(15)；

2)在900℃～1200℃下对SOI片进行双面氧化，得到二氧化硅层(16)；

3)采用RIE等离子刻蚀技术去除SOI片顶层的部分二氧化硅层(16)，裸露出与导线(7～8)形状相同的部分上层单晶硅(13)，然后在SOI片顶层表面溅射制作金属层(17)，再采用剥离工艺形成传感器芯片的金属导线；

4)采用DRIE深反应离子刻蚀技术，在SOI片正面形成结构层；

5)使用KOH湿法工艺刻蚀背腔至自停止层；

6)采用HF缓冲溶液湿法刻蚀，释放H形双端固支梁；获得基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片。