一種梁膜四梁結構矽微流量傳感器晶片的製作方法
2023-05-11 15:55:51
專利名稱：一種梁膜四梁結構矽微流量傳感器晶片的製作方法
技術領域：
本發明屬於微機械電子技術領域，具體涉及一種梁膜四梁結構矽微流量傳感器晶片。
背景技術：
流量測量是工業生產和科研工作的重要的檢測參數。近年來，隨著對微電子機械系統(MEMS)的深入研究和取得的進展，傳統的工業和流體力學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，經過30年的發展，熱式MEMS流量傳感器已經佔據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、襯底的熱傳導導致測量誤差、零點隨環境溫度漂移、響應時間長等。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方面的應用。目前，非熱式流量傳感器研究相對較少，現有的非熱式流量存在難以兼顧全量程範圍內的靈敏度、普遍較難計算、製造過程難以與標準CMOS工藝兼容等問題。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種梁膜四梁結構矽微流量傳感器晶片，具有體積小，重量小，響應速度快和高靈敏度的優點。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為:一種梁膜四梁結構矽微流量傳感器晶片，包括外圍支撐矽基3，在外圍支撐矽基3的背面配置有玻璃襯底4，外圍支撐矽基3的背面與玻璃襯底4進行鍵合連接，中央矽膜I位於外圍支撐矽基3的中間，中央矽膜I的四邊和外圍支撐矽基3之間通過四個矽懸臂梁
2相連，每個矽懸臂梁2上的中間配置有一個壓阻條5，四個壓阻條5連接構成惠斯通電橋，中央矽膜I與矽懸臂梁2組成的梁膜結構為傳感器測量部位；所述的中央矽膜I與外圍支撐矽基3之間存在350-370 μ m的間隙以使中央質矽膜I懸空，並且可以使流體順利通過，所述的中央矽膜I的厚度與矽懸臂梁2的厚度相同；所述的中央矽膜I的兩條中軸線與外圍支撐矽基3的兩條中軸線重合，並分別與兩個矽懸臂梁2的中軸線重合。所述的矽懸臂梁2採用了(100)晶面矽，呈十字形分布。所述的四個壓阻條5沿著[110]和[1了0]晶向布置。本發明採用250um (100晶面)N型雙面拋光矽片。由於本發明採用梁膜結合的結構作為敏感元件，集加流量感知與測量電路於一體，同時採用250um (100晶面)N型雙面拋光矽片製作，故而具有體積小，重量小，響應速度快和高靈敏度的優點。
圖1為本發明的結構示意圖。圖2為本發明的截面示意圖。圖3為壓阻條5在矽懸臂梁2上的分布示意圖。圖4為壓阻條5構成的惠斯通電橋示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的結構與工作原理詳細說明。參見圖1和2，一種梁膜四梁結構矽微流量傳感器晶片，包括外圍支撐矽基3，在外圍支撐矽基3的背面配置有玻璃襯底4，外圍支撐矽基3的背面與玻璃襯底4進行鍵合連接，中央矽膜I位於外圍支撐矽基3的中間，中央矽膜I和外圍支撐矽基3之間通過四個矽懸臂梁2相連，每個矽懸臂梁2上的中間配置有一個壓阻條5，四個壓阻條5連接構成惠斯通電橋，中央矽膜I與矽懸臂梁2組成的梁膜結構為傳感器測量部位，傳感器晶片感應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化為電信號，完成對流量的感應與測量。所述的中央矽膜I與外圍支撐矽基3之間存在350-370 μ m的間隙以使中央矽膜I懸空，並使得流體可以通過，中央矽膜I可以在外界流量作用時發生一定的位移，從而感知流量信息，所述的中央矽膜I的厚度與矽懸臂梁2的厚度相同，矽懸臂梁2的寬度小於中央矽膜的I的寬度，使應力集中作用明顯。所述的中央矽膜I的兩條中軸線與外圍支撐矽基3的兩條中軸線重合，並分別與兩個矽懸臂梁2的中軸線重合。所述的矽懸臂梁2採用了(100)晶面矽，呈十字形分布。
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所述的四個壓阻條5沿著[110]和[1T0]晶向布置。本發明採用250um (100晶面)N型雙面拋光矽片。參見圖3和圖4，四個壓阻條5分別為電阻R1、R2、R3和R4，在四個矽懸臂梁2上，電阻R1與電阻R3成一條直線布置，電阻R2與電阻R4呈一條直線布置，四個壓阻條5連接構成惠斯通電橋。本發明的工作原理是:一定速度流體垂直作用於傳感器晶片上表面時，中央矽膜I作為傳感器流量的敏感膜片。根據伯努利方程，當一定速度流體作用於中央矽矽膜I時，由於慣性力的作用，中央矽膜I會產生一定的位移，進而使梁膜結構中的矽懸臂梁2部分發生形變，該形變所產生的應力導致分布於矽懸臂梁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變為電信號輸出，從而實現傳感器晶片的流量-電壓信號轉換，完成對流量的測量。本發明中矽懸臂梁2上的壓阻條5阻值的變化量通過壓阻效應的相關公式計算而
來，壓阻效應是指當半導體材料受到應力作用時，由於載流子遷移率的變化，使其電阻率發
生變化的現象。當壓阻條處於一定應力作用下時，其阻值變化與其所受應力之間的比例關
系式如下:
「 AR= π σ + πττ 式中:R-壓阻條初始阻值；
Ji χ—為壓阻條橫向壓阻係數；Ji τ—壓阻條縱向壓阻係數；σ j——壓阻條受到的正應力；τ i—壓阻條受到的剪應力。因此矽懸臂梁2在外界流量作用時產生的應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變為電信號輸出，繼而實現對流量的感應與測量，壓阻效應具有各向異性的特徵，沿著不同的方向施加應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，本發明中的矽懸臂梁2選擇(100)晶面矽片，利用(100)晶面矽在[110]和[I 了0]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[1了0]晶向分布，提高了傳感器晶片對流量的測量精度。
權利要求
1.一種梁膜四梁結構矽微流量傳感器晶片，包括外圍支撐矽基(3)，其特徵在於:在外圍支撐矽基(3)的背面配置有玻璃襯底(4)，外圍支撐矽基(3)的背面與玻璃襯底(4)進行鍵合連接，中央娃膜(1)位於外圍支撐娃基(3)的中間，中央娃膜(I)的四邊和外圍支撐娃基(3)之間通過四個矽懸臂梁(2)相連，每個矽懸臂梁(2)上的中間配置有一個壓阻條(5)，四個壓阻條(5)連接構成惠斯通電橋，中央矽膜(I)與矽懸臂梁(2)組成的梁膜結構為傳感器測量部位； 所述的中央矽膜(1)與外圍支撐矽基(3)之間存在350-370m的間隙以使中央質矽膜(I)懸空，並且可以使流體順利通過，所述的中央矽膜(I)的厚度與矽懸臂梁(2)的厚度相同； 所述的中央矽膜(1)的兩條中軸線與外圍支撐矽基(3)的兩條中軸線重合，並分別與兩個矽懸臂梁(2)的中軸線重合。
2.根據權利要求1所述的一種梁膜四梁結構矽微流量傳感器晶片，其特徵在於:所述的矽懸臂梁(2 )採用了( 100 )晶面矽，呈十字形分布。
3.根據權利要求1所述的一種梁膜四梁結構矽微流量傳感器晶片，其特徵在於:所述的四個壓阻條(5)沿著[110]和[1了0]晶向布置。
4.根據權利要求1所述的一種梁膜四梁結構矽微流量傳感器晶片，其特徵在於:本發明採用250um (100晶面)N型雙面拋光矽片。
全文摘要
一種梁膜四梁結構矽微流量傳感器晶片，包括外圍支撐矽基，中央矽膜位於外圍支撐矽基的中間，中央矽膜的四邊和外圍支撐矽基之間通過四個矽懸臂梁相連，每個矽懸臂梁上的中間配置有一個壓阻條，構成惠斯通電橋，當一定速度流體作用於傳感器晶片時，將有慣性力作用於中央矽膜，進而使得梁膜結構發生變形，壓阻條在矽懸臂梁的應力作用下其阻值發生變化，惠斯通電橋失去平衡，輸出一個與外界流量相對應的電信號，從而實現傳感器晶片對流量的測量，本發明具有體積小，重量小，響應速度快和高靈敏度的優點。
文檔編號G01F1/64GK103076051SQ20121056637
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者趙玉龍, 陳佩, 李一瑤 申請人:西安交通大學