[发明专利]一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片及其工作方法和制备方法

说明书

本发明公开了一种高品质因子压电悬臂梁密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，其中硅微悬臂梁谐振器包括微悬臂梁悬空结构、固支梁结构、压阻梁结构以及压阻衔接梁结构。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，双压电电极用于通入一定频率的交变电压并基于逆压电效应产生压电驱动力，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连接构成惠斯通全桥，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面外振动模态，该密度传感器芯片在流体中具备高灵敏度、高品质因子，能够显著提升流体密度测量的使用范围，测量精度与灵敏度高。

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，涉及一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片及其工作方法和制备方法。

背景技术

基于MEMS技术的谐振式密度传感器对流体密度特性的检测，依托于所附着流体分子附加质量变化而引起的谐振器件谐振频率的变化，相较传统密度计具有体积小、易操作、灵敏度高等优越的测量性能。但流体黏度通过影响密度谐振器的品质因子，对谐振器的振动稳定性，以及中高黏流体密度测量的适用性与测量精度也有不可忽视的作用，随着各行业对低、中、高黏度流体提出的密度检测高要求，MEMS密度传感器仍面临适用范围窄、灵敏度低、便捷性差等显著问题。

品质因子与密度测量灵敏度是MEMS谐振密度传感器的重要指标，牛顿、非牛顿液体以及低高黏度液体均对MEMS谐振密度传感器的谐振器品质因子产生显著影响，而基于面外振动的密度谐振器与流体分子相互作用时，以较大的长度-宽度面为主导，使其增加密度灵敏度的同时因具有较大的压膜流体阻尼使其品质因子受流体阻尼影响剧烈；反之，基于面内振动的密度谐振虽因受滑膜阻尼作用，能够显著提升抗流体阻尼特性，但其振动形式使其与流体分子的作用仅为谐振器的宽度-厚度面，极大减小了流体密度变化引起的频率变化，降低了密度测量灵敏度。因而，提升MEMS密度谐振传感器的品质因子，同时具有良好的密度测量灵敏度，是当前该类传感器的重要发展方向。

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高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片及其工作方法和制备方法，以期同时提升传感器芯片的品质因子和密度测量灵敏度，从而提升密度测量精度、灵敏度与适用范围，同时兼顾传感器的工作便捷性与可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片，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另一侧连接；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非对称布置，第三压阻梁和第四压阻梁关于第二压阻衔接梁非对称布置；

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电连接形成惠斯通全桥。