专利名称：一种梁膜四梁结构硅微流量传感器芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于微机械电子技术领域，具体涉及一种梁膜四梁结构硅微流量传感器芯片。
背景技术：
流量测量是工业生产和科研工作的重要的检测参数。近年来，随着对微电子机械系统(MEMS)的深入研究和取得的进展，传统的工业和流体力学研究的流量传感器向高集成度，微型化，高精度，高可靠性方向发展。MEMS流量传感器按测量原理主要可以分为热式和非热式两种，经过30年的发展，热式MEMS流量传感器已经占据了流量测量的主流位置。但是，热式微流量传感器也有其固有的缺点。例如功耗大、衬底的热传导导致测量误差、零点随环境温度漂移、响应时间长等。另外，因为要对流体加热，所以就限制了热式微流量传感器在生物技术方面的应用。目前，非热式流量传感器研究相对较少，现有的非热式流量存在难以兼顾全量程范围内的灵敏度、普遍较难计算、制造过程难以与标准CMOS工艺兼容等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种梁膜四梁结构硅微流量传感器芯片，具有体积小，重量小，响应速度快和高灵敏度的优点。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:一种梁膜四梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基3，在外围支撑硅基3的背面配置有玻璃衬底4，外围支撑硅基3的背面与玻璃衬底4进行键合连接，中央硅膜I位于外围支撑硅基3的中间，中央硅膜I的四边和外围支撑硅基3之间通过四个硅悬臂梁
2相连，每个硅悬臂梁2上的中间配置有一个压阻条5，四个压阻条5连接构成惠斯通电桥，中央硅膜I与硅悬臂梁2组成的梁膜结构为传感器测量部位；所述的中央硅膜I与外围支撑硅基3之间存在350-370 μ m的间隙以使中央质硅膜I悬空，并且可以使流体顺利通过，所述的中央硅膜I的厚度与硅悬臂梁2的厚度相同；所述的中央硅膜I的两条中轴线与外围支撑硅基3的两条中轴线重合，并分别与两个硅悬臂梁2的中轴线重合。所述的硅悬臂梁2采用了(100)晶面硅，呈十字形分布。所述的四个压阻条5沿着[110]和[1了0]晶向布置。本发明采用250um (100晶面)N型双面抛光硅片。由于本发明采用梁膜结合的结构作为敏感元件，集加流量感知与测量电路于一体，同时采用250um (100晶面)N型双面抛光硅片制作，故而具有体积小，重量小，响应速度快和高灵敏度的优点。
图1为本发明的结构示意图。图2为本发明的截面示意图。图3为压阻条5在硅悬臂梁2上的分布示意图。图4为压阻条5构成的惠斯通电桥示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的结构与工作原理详细说明。参见图1和2，一种梁膜四梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基3，在外围支撑硅基3的背面配置有玻璃衬底4，外围支撑硅基3的背面与玻璃衬底4进行键合连接，中央硅膜I位于外围支撑硅基3的中间，中央硅膜I和外围支撑硅基3之间通过四个硅悬臂梁2相连，每个硅悬臂梁2上的中间配置有一个压阻条5，四个压阻条5连接构成惠斯通电桥，中央硅膜I与硅悬臂梁2组成的梁膜结构为传感器测量部位，传感器芯片感应到的流量信号输入通过四个压阻条5组成的测量电路最终转化为电信号，完成对流量的感应与测量。所述的中央硅膜I与外围支撑硅基3之间存在350-370 μ m的间隙以使中央硅膜I悬空，并使得流体可以通过，中央硅膜I可以在外界流量作用时发生一定的位移，从而感知流量信息，所述的中央硅膜I的厚度与硅悬臂梁2的厚度相同，硅悬臂梁2的宽度小于中央硅膜的I的宽度，使应力集中作用明显。所述的中央硅膜I的两条中轴线与外围支撑硅基3的两条中轴线重合，并分别与两个硅悬臂梁2的中轴线重合。所述的硅悬臂梁2采用了(100)晶面硅，呈十字形分布。
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所述的四个压阻条5沿着[110]和[1T0]晶向布置。本发明采用250um (100晶面)N型双面抛光硅片。参见图3和图4，四个压阻条5分别为电阻R1、R2、R3和R4，在四个硅悬臂梁2上，电阻R1与电阻R3成一条直线布置，电阻R2与电阻R4呈一条直线布置，四个压阻条5连接构成惠斯通电桥。本发明的工作原理是:一定速度流体垂直作用于传感器芯片上表面时，中央硅膜I作为传感器流量的敏感膜片。根据伯努利方程，当一定速度流体作用于中央硅硅膜I时，由于惯性力的作用，中央硅膜I会产生一定的位移，进而使梁膜结构中的硅悬臂梁2部分发生形变，该形变所产生的应力导致分布于硅悬臂梁2上的压阻条5的电阻值变化。这一阻值变化通过惠斯通电桥转变为电信号输出，从而实现传感器芯片的流量-电压信号转换，完成对流量的测量。本发明中硅悬臂梁2上的压阻条5阻值的变化量通过压阻效应的相关公式计算而
来，压阻效应是指当半导体材料受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发
生变化的现象。当压阻条处于一定应力作用下时，其阻值变化与其所受应力之间的比例关
系式如下:
「 AR= π σ + πττ 式中:R-压阻条初始阻值；
Ji χ—为压阻条横向压阻系数；Ji τ—压阻条纵向压阻系数；σ j——压阻条受到的正应力；τ i—压阻条受到的剪应力。因此硅悬臂梁2在外界流量作用时产生的应力将会使其上的压阻条5的阻值变化，通过惠斯通电桥再将此变化转变为电信号输出，继而实现对流量的感应与测量，压阻效应具有各向异性的特征，沿着不同的方向施加应力或沿不同方向通过电流，材料的电阻率变化均不相同，为了在同样的流量作用下得到更大的输出电信号，本发明中的硅悬臂梁2选择(100)晶面硅片，利用(100)晶面硅在[110]和[I 了0]晶向上具有最大值，在[100]和晶向上几乎为零的特点，压阻条5沿着[110]和[1了0]晶向分布，提高了传感器芯片对流量的测量精度。
权利要求
1.一种梁膜四梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基(3)，其特征在于:在外围支撑硅基(3)的背面配置有玻璃衬底(4)，外围支撑硅基(3)的背面与玻璃衬底(4)进行键合连接，中央娃膜(1)位于外围支撑娃基(3)的中间，中央娃膜(I)的四边和外围支撑娃基(3)之间通过四个硅悬臂梁(2)相连，每个硅悬臂梁(2)上的中间配置有一个压阻条(5)，四个压阻条(5)连接构成惠斯通电桥，中央硅膜(I)与硅悬臂梁(2)组成的梁膜结构为传感器测量部位； 所述的中央硅膜(1)与外围支撑硅基(3)之间存在350-370m的间隙以使中央质硅膜(I)悬空，并且可以使流体顺利通过，所述的中央硅膜(I)的厚度与硅悬臂梁(2)的厚度相同； 所述的中央硅膜(1)的两条中轴线与外围支撑硅基(3)的两条中轴线重合，并分别与两个硅悬臂梁(2)的中轴线重合。
2.根据权利要求1所述的一种梁膜四梁结构硅微流量传感器芯片，其特征在于:所述的硅悬臂梁(2 )采用了( 100 )晶面硅，呈十字形分布。
3.根据权利要求1所述的一种梁膜四梁结构硅微流量传感器芯片，其特征在于:所述的四个压阻条(5)沿着[110]和[1了0]晶向布置。
4.根据权利要求1所述的一种梁膜四梁结构硅微流量传感器芯片，其特征在于:本发明采用250um (100晶面)N型双面抛光硅片。
全文摘要
一种梁膜四梁结构硅微流量传感器芯片，包括外围支撑硅基，中央硅膜位于外围支撑硅基的中间，中央硅膜的四边和外围支撑硅基之间通过四个硅悬臂梁相连，每个硅悬臂梁上的中间配置有一个压阻条，构成惠斯通电桥，当一定速度流体作用于传感器芯片时，将有惯性力作用于中央硅膜，进而使得梁膜结构发生变形，压阻条在硅悬臂梁的应力作用下其阻值发生变化，惠斯通电桥失去平衡，输出一个与外界流量相对应的电信号，从而实现传感器芯片对流量的测量，本发明具有体积小，重量小，响应速度快和高灵敏度的优点。
文档编号G01F1/64GK103076051SQ20121056637
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者赵玉龙, 陈佩, 李一瑶 申请人:西安交通大学