專利名稱：一種梁膜單梁結(jié)構(gòu)硅微流量傳感器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機械電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種梁膜單梁結(jié)構(gòu)硅微流量傳感器芯片。
背景技術(shù)：
流量測量是工業(yè)生產(chǎn)和科研工作的重要的檢測參數(shù)。近年來，隨著對微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的深入研究和取得的進展，傳統(tǒng)的工業(yè)和流體力學(xué)研究的流量傳感器向高集成度，微型化，高精度，高可靠性方向發(fā)展。MEMS流量傳感器按測量原理主要可以分為熱式和非熱式兩種，經(jīng)過30年的發(fā)展，熱式MEMS流量傳感器已經(jīng)占據(jù)了流量測量的主流位置。但是，熱式微流量傳感器也有其固有的缺點。例如功耗大、襯底的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致測量誤差、零點隨環(huán)境溫度漂移、響應(yīng)時間長等。另外，因為要對流體加熱，所以就限制了熱式微流量傳感器在生物技術(shù)方面的應(yīng)用。目前，非熱式流量傳感器研究相對較少，現(xiàn)有的非熱式流量存在難以兼顧全量程范圍內(nèi)的靈敏度、普遍較難計算、制造過程難以與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容等問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種梁膜單梁結(jié)構(gòu)硅微流量傳感器芯片，具有體積小，重量小，響應(yīng)速度快和高靈敏度的優(yōu)點。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種梁膜單梁結(jié)構(gòu)硅微流量傳感器芯片，包括外圍支撐硅基3，在外圍支撐硅基3的背面配置有玻璃襯底4，外圍支撐硅基3的背面與玻璃襯底4進行鍵合連接，中央硅膜I位于外圍支撐娃基3的中間，中央娃膜I的一邊和外圍支撐娃基3之間通過一娃懸臂梁2相連，硅懸臂梁2上的中間配置有四個壓阻條5，四個壓阻條5連接構(gòu)成惠斯通電橋，中央硅膜I與硅懸臂梁2組成的梁膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成傳感器測量部位；所述的中央硅膜I與外圍支撐硅基3之間存在150-170 μ m的間隙以使中央質(zhì)硅膜I懸空，中央硅膜I的厚度與硅懸臂梁2的厚度相同；所述的中央娃膜1、娃懸臂梁2和外圍支撐娃基3三部分的中軸線重合。所述的硅懸臂梁2采用了(100)晶面硅。所述的四個壓阻條5沿著[110]和[110]晶向布置。本發(fā)明采用250um (100晶面)N型雙面拋光硅片制作。由于本發(fā)明采用梁膜結(jié)合的結(jié)構(gòu)作為敏感元件，集流量感知與測量電路于一體，同時采用250um (100晶面)N型雙面拋光硅片制作，故而具有體積小，重量小，響應(yīng)速度快和高靈敏度的優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的截面示意圖。圖3為壓阻條5在硅懸臂梁2上的分布示意圖。圖4為壓阻條5構(gòu)成的惠斯通電橋示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與工作原理詳細(xì)說明。參見圖1和圖2，一種梁膜單梁結(jié)構(gòu)硅微流量傳感器芯片，包括外圍支撐硅基3，在外圍支撐硅基3的背面配置有玻璃襯底4，外圍支撐硅基3的背面與玻璃襯底4進行鍵合連接，中央硅膜I位于外圍支撐硅基3的中間，中央硅膜I的一邊和外圍支撐硅基3之間由一硅懸臂梁2相連，硅懸臂梁2上的中間配置有四個壓阻條5，四個壓阻條5連接構(gòu)成惠斯通電橋，中央硅膜I與硅懸臂梁2組成的梁膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成傳感器測量部位，傳感器芯片感應(yīng)到的流量信號輸入通過四個壓阻條5組成的測量電路最終轉(zhuǎn)化為電信號，完成對流量的感應(yīng)與測量。所述的中央硅膜I與外圍支撐硅基3之間存在150-170 μ m的間隙以使中央硅膜I懸空，并使得流體可以通過，中央硅膜I可以在外界流量作用時發(fā)生一定的位移，從而感知流量信息，所述的中央硅膜I的厚度與硅懸臂梁2的厚度相同，硅懸臂梁2的寬度小于中央硅膜的I的寬度，使應(yīng)力集中作用明顯。所述的中央娃膜1，娃懸臂梁2和外圍支撐娃基3三部分的中軸線重合。所述的硅懸臂梁2采用了(100)晶面硅。所述的四個壓阻條5沿著[110]和[110]晶向布置。本發(fā)明采用2 50um (100晶面)N型雙面拋光硅片制作。參見圖3和圖4，四個壓阻條5分別為電阻R1、R2、R3和R4，在硅懸臂梁2上，電阻Rl與電阻R3平行布置，電阻R2與電阻R4呈一條直線布置，四個壓阻條5連接構(gòu)成惠斯通電橋。本發(fā)明的工作原理是:一定速度流體垂直作用于傳感器芯片上表面時，中央硅膜I作為傳感器流量的敏感膜片。根據(jù)伯努利方程，當(dāng)一定速度流體作用于中央硅膜I時，由于慣性力的作用，中央硅膜I會產(chǎn)生一定的位移，進而使梁膜結(jié)構(gòu)中的硅懸臂梁2部分發(fā)生形變，該形變所產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致分布于硅懸臂梁2上的壓阻條5的電阻值變化。這一阻值變化通過惠斯通電橋轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觯瑥亩鴮崿F(xiàn)傳感器芯片的流量-電壓信號轉(zhuǎn)換，完成對流量的測量。本發(fā)明中硅懸臂梁2上的壓阻條5阻值的變化量通過壓阻效應(yīng)的相關(guān)公式計算而來，壓阻效應(yīng)是指當(dāng)半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。當(dāng)壓阻條處于一定應(yīng)力作用下時，其阻值變化與其所受應(yīng)力之間的比例關(guān)系式如下:
「 π Δ/ — = π,σ: + πττ,式中:R-壓阻條初始阻值；Ji x—為壓阻條橫向壓阻系數(shù)；Ji τ—壓阻條縱向壓阻系數(shù)；
σ j——壓阻條受到的正應(yīng)力；τ i—壓阻條受到的剪應(yīng)力。因此硅懸臂梁2在外界流量作用時產(chǎn)生的應(yīng)力將會使其上的壓阻條5的阻值變化，通過惠斯通電橋再將此變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?，繼而實現(xiàn)對流量的感應(yīng)與測量，壓阻效應(yīng)具有各向異性的特征，沿著不同的方向施加應(yīng)力或沿不同方向通過電流，材料的電阻率變化均不相同，為了在同樣的流量作用下得到更大的輸出電信號，本發(fā)明中的硅懸臂梁2選擇(100)晶面硅片，利用(100)晶面硅在[110]和[110]晶向上具有最大值，在[100]和晶向上幾乎為零的特點，壓阻條5沿著[110]和[110]晶向分布，提高了傳感器芯片對流量的測量精度。
權(quán)利要求
1.一種梁膜單梁結(jié)構(gòu)硅微流量傳感器芯片，包括外圍支撐硅基(3)，其特征在于:在外圍支撐硅基(3)的背面配置有玻璃襯底(4)，外圍支撐硅基(3)的背面與玻璃襯底(4)進行鍵合連接，中央娃膜(I)位于外圍支撐娃基(3)的中間，中央娃膜(I)的一邊和外圍支撐娃基(3)之間通過一硅懸臂梁(2)相連，硅懸臂梁(2)上的中間配置有四個壓阻條(5)，四個壓阻條(5)連接構(gòu)成惠斯通電橋，中央硅膜(I)與硅懸臂梁(2)組成的梁膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成傳感器測量部位； 所述的中央硅膜(I)與外圍支撐硅基(3 )之間存在150-170m的間隙以使中央質(zhì)硅膜(O懸空，中央硅膜(I)的厚度與硅懸臂梁(2)的厚度相同； 所述的中央娃膜(I)、娃懸臂梁(2)和外圍支撐娃基(3)三部分的中軸線重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梁膜單梁結(jié)構(gòu)硅微流量傳感器芯片，其特征在于:所述的硅懸臂梁(2)采用了(100)晶面硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梁膜單梁結(jié)構(gòu)硅微流量傳感器芯片，其特征在于:所述的四個壓阻條(5)沿著[110]和[110]晶向布置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梁膜單梁結(jié)構(gòu)硅微流量傳感器芯片，其特征在于:本發(fā)明采用250um (100晶面 )N型雙面拋光硅片制作。
全文摘要
一種梁膜單梁結(jié)構(gòu)硅微流量傳感器芯片，包括外圍支撐硅基，在外圍支撐硅基的背面配置有玻璃襯底，外圍支撐硅基的背面與玻璃襯底進行鍵合連接，中央硅膜位于外圍支撐硅基的中間，中央硅膜的一邊和外圍支撐硅基之間通過一硅懸臂梁相連，硅懸臂梁上的中間配置有四個壓阻條，四個壓阻條連接構(gòu)成惠斯通電橋，中央硅膜與硅懸臂梁組成的梁膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成傳感器測量部位，當(dāng)一定速度流體作用于傳感器芯片時，將有慣性力作用于中央硅膜，進而使得梁膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，壓阻條在硅懸臂梁的應(yīng)力作用下其阻值發(fā)生變化，惠斯通電橋失去平衡，輸出一個與外界流量相對應(yīng)的電信號，從而實現(xiàn)傳感器芯片對流量的測量，具有體積小，重量小，響應(yīng)速度快和高靈敏度的優(yōu)點。
文檔編號G01F1/56GK103076050SQ20121056777
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者趙玉龍, 陳佩, 李一瑤 申請人:西安交通大學(xué)