虹科技術(shù)

用于氣體密度和粘度傳感器應(yīng)用的壓電 MEMS 懸臂梁的設(shè)計(jì)、模擬、制作和表征

摘要

經(jīng)設(shè)計(jì)、模擬、制作和測(cè)試，基于MEMS懸臂的諧振器用于壓電驅(qū)動(dòng)和感測(cè)的氣體監(jiān)測(cè)。氮化鋁（AlN）用作活性材料來實(shí)現(xiàn)壓電致動(dòng)器和傳感器。使用COMSOL進(jìn)行的模擬和測(cè)量結(jié)果顯示了非常好的一致性。最后一個(gè)系統(tǒng)是氣體監(jiān)測(cè)的全傳感器，可在0至60°C溫度和1至10巴絕對(duì)壓力下測(cè)量氣體密度和粘度，準(zhǔn)確度分別為<0.03 kg/m3 和6%。目前正在進(jìn)行第二次技術(shù)運(yùn)行，旨在提高粘度的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：MEMS、諧振器、懸臂、壓電驅(qū)動(dòng)、壓電傳感、密度、粘度、氣體監(jiān)測(cè)

1

研究背景、動(dòng)機(jī)和目標(biāo)

微機(jī)械傳感器廣泛用于滿足小型化傳感器日益增長(zhǎng)的需求，該傳感器主要用于測(cè)量氣體物理參數(shù)（例如密度和粘度）。另外，在惰性氣體領(lǐng)域，如焊接氣體或改性的氣體混合應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)超精確的刻度也是非常有意義的。使用標(biāo)準(zhǔn)硅技術(shù)可以在降低成本的情況下實(shí)現(xiàn)小型化，從而推動(dòng)進(jìn)入新的傳感器市場(chǎng)，如低功率手持系統(tǒng)[1]。傳感器的核心是微納米技術(shù)中心（EPFL）制造的振蕩微懸臂。微懸臂的峰值共振響應(yīng)頻率fr和質(zhì)量因子Q是兩個(gè)主要的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)周圍流體的密度和粘度非常敏感[2]。因此，液體的粘度和密度可以通過分析浸在液體中的懸臂的頻率響應(yīng)來確定[3,4]。

2

系統(tǒng)說明：設(shè)計(jì)與流程

本文設(shè)計(jì)、模擬、制作和測(cè)試了一個(gè)MEMS懸臂諧振器（傳感器的核心），該諧振器以壓電方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)。懸臂頂部集成了壓電傳導(dǎo)，即氮化鋁（AlN），以驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)設(shè)備（諧振頻率和Q因子）。

鉑（Pt）用作頂部和底部金屬觸點(diǎn)，AlN夾在其間以形成致動(dòng)和感測(cè)電極以及溫度傳感器。事實(shí)上，在評(píng)估氣體熱物理特性時(shí)，必須很好地測(cè)量和控制溫度，因此需要將溫度傳感器盡可能接近密度和粘度傳感器。本文研究的懸臂是在SOI晶圓上制作的，器件層厚度為10mm，長(zhǎng)度L=600mm，寬W=202 mm 圖1顯示了詳細(xì)的流程

圖1：AlN懸臂的制造過程： (a) 熱氧化隔離層，(b) 粘附的AlN層和底部的Pt金屬沉積，并通過升降機(jī)進(jìn)行圖案制作，(c) 通過濺射的活性AlN層和頂部的Pt金屬沉積，并通過Cl2/Ar干法蝕刻進(jìn)行圖案制作，(d) 通過CF4和Cl2干法蝕刻進(jìn)行懸臂形狀制作。(e) 聚對(duì)二甲苯沉積用于在深背面蝕刻期間保護(hù)正面，（f)通過干 Si 和濕 SiO2 蝕刻進(jìn)行型腔模式化，通過等離子體 O2 釋放懸臂

3

結(jié)果

圖2a為制造的AlN懸臂的SEM圖像；圖2b顯示了MEMS芯片在PCB上的粘合情況，其后是球頂封裝。

圖2：MEMS壓電懸

圖2a：SEM 圖像，溫度傳感器（T°）和壓電傳感器（PZE）

圖2b：MEMS樣品+PCB

圖3a和3b分別顯示了在COMSOL中進(jìn)行的模擬阻抗實(shí)部和虛部以及測(cè)量的頻率再響應(yīng)，包括信號(hào)的振幅和相位。我們可以看到模擬結(jié)果（fr = 43.7 kHz, Q = 882）和測(cè)量結(jié)果（fr = 41.1 kHz, Q = 724）之間有很好的一致性。

圖3：空氣中的壓電諧振和Q因子

圖3a：COMSOL中的模擬阻抗

圖3b：使用鎖相放大器測(cè)量頻率響應(yīng)

為了在氣體中進(jìn)行測(cè)量，我們制作了一個(gè)特殊的PCB，其中包含一個(gè)MEMS芯片、一個(gè)壓力和溫度傳感器。該P(yáng)CB可以擰入氣密性金屬缸體中，用作氣室，見圖4。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)密度和粘度校準(zhǔn)，4種不同氣體（N2、CO2、Ar和He）在0至60°C的溫度和1至10 bar abs的壓力下進(jìn)行測(cè)量。傳感器的測(cè)量性能如圖5所示。可以測(cè)量出氣體密度的絕對(duì)精度<0.03 kg/m3，動(dòng)態(tài)粘度的相對(duì)精度為6%。為了優(yōu)化粘度精度，我們決定將Si器件層從10mm更改為5mm和3mm。第二次技術(shù)運(yùn)行正在進(jìn)行中。

圖4：傳感器PCB安裝在氣密性氣室中，

右側(cè)有電氣連接，左側(cè)有流體連接

圖5：（a） 密度

圖5：（b） 粘度測(cè)量精度

4

參考文獻(xiàn)

[1] M. Kucera and all, Characterization of multi roof tile-shaped out of plane vibrational modes in alu- minum nitride actuated self sensing micro- resonators in liquid media, Applied Physics Let- ters 107, 053506 053506 (2015), doi: 10.1063/1.4928429

[2] H. Qiu et al., Hydrodynamic analysis of piezoe- lectric microcantilevers vibrating in viscous com- pressible gases, Sensors and Actuators A, 238 (2016), 299-306

[3] A. Badarlis et al., Measurement and evaluation of the gas density and viscosity of pure gases and mixtures using a micro-cantilever beam, Sensors, 15 (2016), doi: 10.3390/s150924318

[4] C. Huber et al., Gas density and viscosity meas- urement with a micro-cantilever for online com- bustion gas monitoring, 19.GMA/ITG- Fachtagung Sensoren and Messsysteme, 2018