[发明专利]一种基于面内谐振的MEMS流体密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流体密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，沿硅基底长度方向的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，通过在不同流体中固支梁谐振频率的改变来实现流体密度的测量。

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流体密度传感器芯片及其制备方法。

背景技术

密度作为流体的基本热物性质参数之一，流体密度的高精度、实时在线测量在石油化工、生物医学、航空航天和科学研究等领域都具有广泛的应用。随着MEMS技术与加工工艺的不断发展，基于MEMS技术的流体密度传感器具有体积小、响应快、易于集成、灵敏度高等优点，在诸多领域越加受到重视。其中密度传感器敏感元件的种类主要包括谐振梁、谐振板、振动管、振动膜等，而基于谐振机理的悬臂梁以其结构简单、加工工艺易实现、密度测量稳定性高等优点成为流体密度传感器的主要研究对象。基于谐振机理的流体密度传感器中谐振器的谐振频率由流体的密度决定，因此通过测定谐振器的谐振频率即可求出待测流体的密度，可以实现在线连续测量，具有稳定性好、测量精度高等优点。但随着科学技术的进步与工程要求的日益复杂，对于密度测量范围、测量精度的要求越来越高，而以悬臂梁作为谐振器件其自身的结构特点使其振动方向为垂直于流体表面，流体阻尼接触面积大，与流体之间阻尼为压膜阻尼，因而在较高密度流体中依附于悬臂梁表面的流体附加质量增加、阻尼增大，使悬臂梁的谐振性能下降，包括品质因子减小、谐振频率降低等，导致流体密度测量灵敏度低、精度差等情况发生，限制了密度传感器的适用流体范围，不能满足实际多样且复杂化的工程需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于面内谐振的流体密度传感器芯片，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，显著降低密度传感器芯片在流体环境中所受的阻尼力，提高密度传感器对流体密度的测量精度、灵敏度和稳定性，提高流体密度测量范围。

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流体密度传感器芯片，包括H型硅微双端固支梁结构和硅基底；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。

进一步的，所述硅基底底部外加磁铁，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。

进一步的，所述基于面内谐振的MEMS流体密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。

进一步的，所述振子为矩形截面质量块，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。

进一步的，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。