一种用于测量液体粘度的MEMS芯片的制作方法

本实用新型涉及液体粘度测量领域，特别地涉及一种用于测量液体粘度的芯片。

背景技术：

粘度测量是石油、化工、冶金、国防、医疗卫生等多个领域的必备技术，与获得准确的检测数据、生产流程控制、提高产品质量、开发和节约能源都有着密不可分的关系。具体地，当液体在稳定流动时，一般情况下属于稳定层流的情况，也就是同一层面上的液体流动状态完全相同。如果液体的内部各层之间的流动速度不同，那么液体内部相邻的层之间就会产生相对运动，则液体内部的该两层之间便会产生相互作用力，称为粘性力，衡量这个粘性力大小的一个物理量称为粘度。

近几年来，健康医疗一直是大家所关注的领域，为了解决众多的人口健康监测，需要将设备做到更加的便携、易操作、实惠、准确。但是，目前对于液体的粘度监测主要是通过磁珠的搅拌，通过磁珠搅拌的转速来评估液体的粘度。在相关技术中，将所测的液体放置于一个平滑的玻璃器皿中，加入一定质量的磁珠，磁珠受到外加的力之后会随之绕着器皿底部旋转，通过计数仪来计算磁珠的转速，从而得到液体粘度信息。然而，现有的粘度测量方法存在如下问题：操作步骤繁琐；玻璃器皿对与液体的浸润度，影响到测试的准确性；检测需要专门的仪器设备，检测繁琐；对粘度较大的液体无法进行检测，选择性差；仪器设备比昂贵，检测成本高。

因此，需要提供一种新的用于测量液体粘度的芯片。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供一种用于测量液体粘度的MEMS芯片，所述MEMS芯片包括衬底，该衬底上设有储液池、位于该储液池上方的悬臂梁、设置在该储液池一侧的液体流道以及与液体流道相连通的滴液口，其中，在该悬臂梁上设有用于静电驱动的第一驱动电极；所述衬底上还设有与所述第一驱动电极对应的第二驱动电极；所述储液池用于收容待测量液体；所述悬臂梁用于测量该液体的粘度变化。

优选地，通过所述第一驱动电极和所述第二驱动电极对所述悬臂梁施加静电力以驱动所述悬臂梁振动并使其与待测量液体接触。

优选地，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极的材料为金、铬、镍、钨、铁、铜、铝、铂、钛中的一种或者合金。

优选地，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极的宽度是50nm-1cm，长度是200μm-10cm。

优选地，所述MEMS芯片还包括加热电极，所述加热电极用于保持待测量液体的温度处于恒温状态。

优选地，所述加热电极的宽度是50nm-1cm，长度是200μm-10cm。

优选地，所述液体流道设置在所述衬底的远离所述悬臂梁的一侧。

优选地，所述液体流道深度为10μm-1cm，宽度为2μm-1cm。

本实用新型的有益效果：

与现有技术相比，本实用新型的MEMS芯片结构更加简单，工艺流程简化，生产成本更低，生产效率更高，并且本实用新型的MEMS芯片可广泛应用于医疗卫生、石油、化工、冶金、国防等技术领域。另外，采用本实用新型的MEMS芯片能够提高检测精度，与IC兼容性更高，更适合个人化与家庭化的使用。

附图说明

图1为本实用新型的MEMS芯片的立体示意图。

图2为本实用新型的MEMS芯片的平面示意图。

图3为本实用新型的MEMS芯片的侧视示意图。

图4为本实用新型的MEMS芯片检测液体粘度的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本实用新型的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本实用新型的限制。

如图1和图2所示，本实用新型提供了一种用于测量液体粘度的MEMS芯片，，该MEMS芯片包括衬底10，衬底10上设有储液池11、位于该储液池11上方的悬臂梁12，在悬臂梁12上设置有第一驱动电极13，相应地在衬底上设置第二驱动电极，通过第一驱动电极13以及第二驱动电极对悬臂梁施加静电力。此外，MEMS芯片上还设置有加热电极14，加热电极14例如为设置在悬臂梁12上的回路。设置在该储液池11一侧的液体流道15以及以与液体流道15相连通的滴液口16，其中，第一驱动电极13用于驱动悬臂梁12产生振动并与液体接触；该对加热电极14与悬臂梁12形成回路以保证待测液体处于恒温状态，但是不限于此，使待测液体处于恒温状态的方式还有很多，只要保证待测液体处于恒温状态即可。例如，在储液池11的下方设置加热或保温装置。

在本实施方式中，悬臂梁结构可以是单独的一个，也可以是两个相互独立且相同的悬臂梁，在储液池11的远离悬臂梁一侧对称设有于储液池相连通的滴液口，因此，以其中MEMS芯片的一半结构为示例进行说明。如图1和图2所示，悬臂梁12的厚度为200nm-10μm，并且悬臂梁12的材料可以是硅，还可以是氧化硅、石英、氮化硅、聚酰亚胺、聚乙烯等，参见图3；储液池11的截面形状为方形，进一步地，其宽度为2μm-1cm，高度为10μm-1mm，但是不限于此，还以是矩形、五边形等其它形状；滴液口16为圆形，并且滴液口的直径为2μm-1cm；液体流道15的深度为10μm-1cm，宽度为2μm-1cm；加热电极14的材料为金、铬、镍、钨、铁、铜、铝、铂、钛中的一种或其合金等，加热电极14的宽度是50nm-1cm，长度是200μm-10cm；第一驱动电极13与第二驱动电极的材料为金、铬、镍、钨、铁、铜、铝、铂、钛中的一种或其合金等，驱动电极的宽度是50nm-1cm，长度是200μm-10cm。上述仅用于说明，不限于此，该MEMS芯片还可以是非对称结构，在本实施方式中，悬臂梁的数量为两个，但是悬臂梁的数量还可以是一个或者多个。

需要说明的是，液体可以为血液、汗液、尿液等的人体体液。

图4示出了本实用新型的MEMS芯片检测液体粘度的流程图，如图4所示，使用本实用新型的MEMS芯片，通过对悬臂梁接触液体前后的振动频率进行对比，来评测引入液体后纳米悬臂梁的频率变化。使用本实用新型的MEMS芯片具体包括：

静电驱动悬臂梁使其振动；

悬臂梁接触储液池中的液体后，测量悬臂梁的振动频率；

对比悬臂梁接触液体前后的振动频率，得到液体的粘度；

根据悬臂梁接触液体后的振动频率变化，得出液体的粘度变化。

MEMS芯片测量液体粘度的工作原理

在第一驱动电极13上施加驱动电流，悬臂梁12会受到静电力，随之产生静电震动，当液体滴加滴液口处，液体会随着液体流道流到流入储液池中，悬臂梁12在振动的过程会接触到储液池中的液体，通过对悬臂梁本身的振动频率与引入液体之后的悬臂梁的振动频率进行对比，获得悬臂梁的振动频率变化量，再根据悬臂梁接触液体前后的振动频率及驱动静电力的变化来得出液体的粘度变化。另外，在检测过程中，保持如血液、汗液等的液体与体温一致，在本实施方式中优选使用一对加热电极。参见图1和图2。

以下对静电驱动及静电驱动下微机械结构的谐振频率进行说明。对静电驱动主要利用不同物体之间的静电力从而使得物体运动。主要根据物理学电磁场理论对静电力进行分析和通过结构器件的静电场存储的电势能对其推导计算。静电力的公式如下：

式中上下极板间的电容存储的电势C表示上下极板间电容，V表示施加在上下极板两端的电压。当电压源以一个恒定的电压施加在上下极板时，这时上下极板形成的电容会有一个充放电过程，这时悬臂梁的势能可以表示为：

式中Q＝C·V。

式中v是恒定电压即是一个常数，所以

从上式可以看出上下极板间的静电力只与结构电容有关，所以只要求出结构电容的变化，就可求出上下极板间的静电力。

另外，静电驱动下微机械结构的谐振频率变为：

式中f0为悬臂梁固有的谐振频率，M为悬臂梁的质量，k’为电容结构系统的有效弹性系数，A为上下极板的电容面积，d为上下极板的间距，ε0(＝8.854×10^-12F/m)是真空介电常数，ε的为极板间介质的相对介电常数，V为恒定电压即是一个常数。因此，运动中的悬臂梁的谐振频率也为驱动电压的非线性函数，随着驱动电压幅度的上升，悬臂梁的谐振频率将减小。

与现有技术相比，本实用新型的MEMS芯片结构更加简单，工艺流程简化，生产成本更低，生产效率更高，并且本实用新型的MEMS芯片可广泛应用于医疗卫生、石油、化工、冶金、国防等技术领域。另外，采用本实用新型的MEMS芯片测量液体粘度，通过对比纳米悬梁接触液体前后的震动频率，来评测引入液体后纳米悬梁的频率变化，以测量出液体的粘度变化，采用本实用新型的MEMS芯片还提高了检测的准确度及精度，与IC兼容性更高，更适合个人化与家庭化的使用。

以上所述，仅为本实用新型专利较佳的具体实施方式，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型专利的保护范围之内。