[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

说明书

本发明公开了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，包括硅基底、四个弹性固支梁和中间的振子，两根导线分别布置在振子两侧的固支梁上。芯片底部外加磁铁用于提供恒定磁场，磁感线方向垂直于芯片平面，将其中一根导线通入一定频率的正弦交变电流，则这根导线所在的固支梁受交变洛伦兹力作用做面内振动，从而带动振子和另外一侧固支梁做受迫振动，则另外一根导线切割磁感线而产生感应电动势。将H型硅微双端固支梁结构浸入被测流体中，改变正弦交变电流的频率使得固支梁发生谐振，根据感应电动势的输出幅值大小可获得固支梁在被测流体中的谐振频率。根据在不同流体中H型双端固支梁谐振频率和品质因子的改变来实现流体黏度的测量。

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，涉及一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片及其制备方法。

背景技术

MEMS黏度谐振传感器是基于谐振原理检测流体的黏度参数，具有MEMS传感器的小型化、集成化、多功能化等特征，在航空航天、石油勘探、生物医学等领域有着广泛的应用前景。但目前MEMS黏度谐振传感器仍有不足，当对黏性流体进行测量时，流体黏性越大使传感器芯片中谐振器所受阻尼力越大，黏度传感器的品质因子显著减小，降低传感器的测量精度与灵敏度，限制了MEMS黏度传感器在高黏度、大分子等多样性流体中的广泛应用。近年来，国内外科研机构对黏度传感器芯片的结构原理及加工工艺进行优化，建立优化谐振器的数学模型，对传感器芯片进行结构设计等等，以提高黏度传感器的品质因子，但多数研究中传感器的谐振器件置于流体中所受的阻尼力大，使黏度传感器对高黏度流体的测量精度差、灵敏度低，不能满足对高黏度流体的测量要求。

目前对流体黏度的测量仍是以基于谐振原理的悬臂梁为主要研究对象。利用谐振原理测量流体黏度，即传感器芯片中谐振器的振动特性由流体的黏度决定，因此通过测定谐振器的谐振频率及品质因子即可求出待测流体的黏度，可以实现在线连续测量，具有稳定性好、测量精度较高等优点。但以悬臂梁作为谐振器件，根据其自身的结构特点和振动方向，与流体接触的阻尼面积大，且与流体之间为压膜阻尼，因而在高黏度流体中因品质因子的大幅减小影响了黏度测量的范围与精度，对于常见的高黏度、非牛顿流体的黏度测量范围小、精度低。

发明内容

本发明的目的在于提供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，通过实现H型硅微双端固支梁结构的面内振动，将与流体间的压膜阻尼替代为滑膜阻尼，显著降低黏度传感器芯片在流体环境中所受的阻尼力，提高黏度传感器对流体黏度的测量精度、灵敏度和稳定性；以有效解决现有技术中存在MEMS黏度传感器所受流体阻尼大、对高黏度流体测量精度低的工作问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于面内谐振的MEMS流体黏度传感器芯片，包括H型硅微双端固支梁结构和于硅基底；H型硅微双端固支梁结构包括振子、设置于振子两侧的四个弹性固支梁和导线；

四个弹性固支梁包括第一弹性固支梁、第二弹性固支梁、第三弹性固支梁和第四弹性固支梁；第一弹性固支梁和第二弹性固支梁平行设置于矩形的振子一侧，第三弹性固支梁和第四弹性固支梁平行设置于矩形的振子另一侧；第一弹性固支梁和第四弹性固支梁位于同一直线上；第二弹性固支梁和第三弹性固支梁位于同直线上；振子和四个弹性固支梁呈H型；导线包括两条，一条设置于第一弹性固支梁和第四弹性固支梁上，另一条设置于第二弹性固支梁和第三弹性固支梁上；

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的空腔中；

测量流体黏度时，基于面内谐振的MEMS流体密度传感器芯片完全浸入被测流体中，H型硅微双端固支梁结构中振子的振动方向为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：