[发明专利]一种基于面内谐振的MEMS黏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黏密度传感器芯片及其制备方法，包括硅基底和硅微谐振梁结构，其中硅微谐振梁结构包括中间的振子以及振子两侧的弹性连接梁和弹性固支梁，振子每侧两根相互垂直的连接梁组成T型梁结构，振子及其两侧的弹性固支梁和T型梁分别布有两根导线，两导线沿振子长度方向平行分布，分别用于通入一定频率的正弦交变电流和检测产生的感应电动势，根据硅微谐振梁谐振状态时感应电动势输出幅值的大小可获得硅微谐振梁在被测流体中的谐振频率，通过在不同流体中硅微谐振梁的谐振频率和品质因子来实现流体黏度和密度的测量。MEMS黏密度传感器芯片基于面内振动原理，使用电磁激励、电磁检测的方法实现流体黏度和密度的准确测量。

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黏密度传感器芯片及其制备方法。

背景技术

随着MEMS(Micro Electromechanical Systems，微型机械电子系统)技术的发展，MEMS黏密度传感器作为一种能够同时测量流体黏度和密度的多功能传感器，其具有的微型化、集成化、功耗低和准确度高等优点使其在工业、医疗、化工和生物等诸多领域得到日渐广泛的应用。对基于谐振原理的黏密度传感器而言，按照谐振器件在流体中振动方式的不同可分为面外振动和面内振动，对面外振动而言，谐振器件与周围流体存在压缩力，所受阻尼为压膜阻尼，而做面内振动的谐振器件与周围流体为剪切力，所受阻尼为滑膜阻尼，因而在高黏度流体中，基于面外振动的黏密度传感器所受的阻尼力会显著增加，成为其黏密度测量范围、准确度和稳定度等测量性能下降的重要原因。

为实现黏密度传感器在高黏度流体中的准确测量，诸多研究学者及相关结构对面内振动展开了研究，目前主要的面内振动方式有：振子的平行于芯片平面的摆动以及振子在宽度和长度方向的延伸振动，但是许多面内结构在提高黏密度传感器芯片品质因子的同时，使谐振频率显著降低，尚不能满足对高黏度流体同时获得较高精度、灵敏度的黏度和密度测量需要。

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基于面内谐振的MEMS黏密度传感器芯片及其制备方法，本发明通过实现硅微谐振梁结构的面内振动，将与流体间的压膜阻尼替代为滑膜阻尼，降低黏密度传感器芯片在流体环境中所受的阻尼力，提高传感器芯片的品质因子并具有较高的谐振频率，提高黏密度传感器对黏度和密度的测量精度与灵敏度等测量性能，能够有效解决现有技术中存在MEMS黏密度传感器对高黏度流体测量精度低的技术难题。

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黏密度传感器芯片，其特征在于，包括硅基底和硅微谐振梁结构，硅基底上开设有窗口，硅微谐振梁结构设置在窗口内并与窗口连接；

硅微谐振梁结构包括振子、弹性连接梁、弹性固支梁以及导线；

弹性连接梁包括第一弹性连接梁、第二弹性连接梁、第三弹性连接梁和第四弹性连接梁；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；

第一弹性连接梁和第二弹性连接梁相互垂直并组成T型梁结构，第一弹性连接梁的一端与振子相连，另一端与第二弹性连接梁的中部连接，第二弹性连接梁的两端分别与第一弹性固支梁和第二弹性固支梁的端部相连，第一弹性固支梁和第二弹性固支梁相互平行，均与第二弹性连接梁垂直；

第三弹性连接梁和第四弹性连接梁相互垂直并组成T型梁结构，第三弹性连接梁与第一弹性连接梁对称设置在振子两侧，第三弹性连接梁的一端与振子相连，另一端与第四弹性连接梁的中部连接，第四弹性连接梁的两端分别与第三弹性固支梁和第四弹性固支梁的端部相连，第三弹性固支梁和第四弹性固支梁相互平行，均与第四弹性连接梁垂直；