虹科技术 | 用于气体密度和粘度传感器应用的压电 MEMS 悬臂梁的设计、模拟、制作和表征

摘要

经设计、模拟、制作和测试，基于MEMS悬臂的谐振器用于压电驱动和感测的气体监测。氮化铝（AlN）用作活性材料来实现压电致动器和传感器。使用COMSOL进行的模拟和测量结果显示了非常好的一致性。最后一个系统是气体监测的全传感器，可在0至60°C温度和1至10巴绝对压力下测量气体密度和粘度，准确度分别为<0.03 kg/m3 和6%。目前正在进行第二次技术运行，旨在提高粘度的准确性。

关键词：MEMS、谐振器、悬臂、压电驱动、压电传感、密度、粘度、气体监测

研究背景、动机和目标

微机械传感器广泛用于满足小型化传感器日益增长的需求，该传感器主要用于测量气体物理参数（例如密度和粘度）。另外，在惰性气体领域，如焊接气体或改性的气体混合应用中，实现超精确的刻度也是非常有意义的。使用标准硅技术可以在降低成本的情况下实现小型化，从而推动进入新的传感器市场，如低功率手持系统[1]。传感器的核心是微纳米技术中心（EPFL）制造的振荡微悬臂。微悬臂的峰值共振响应频率fr和质量因子Q是两个主要的动态特性，对周围流体的密度和粘度非常敏感[2]。因此，液体的粘度和密度可以通过分析浸在液体中的悬臂的频率响应来确定[3,4]。

系统说明：设计与流程

本文设计、模拟、制作和测试了一个MEMS悬臂谐振器（传感器的核心），该谐振器以压电方式进行驱动和感应。悬臂顶部集成了压电传导，即氮化铝（AlN），以驱动和检测设备（谐振频率和Q因子）。

铂（Pt）用作顶部和底部金属触点，AlN夹在其间以形成致动和感测电极以及温度传感器。事实上，在评估气体热物理特性时，必须很好地测量和控制温度，因此需要将温度传感器尽可能接近密度和粘度传感器。本文研究的悬臂是在SOI晶圆上制作的，器件层厚度为10mm，长度L=600mm，宽W=202 mm 图1显示了详细的流程

图1：AlN悬臂的制造过程： (a) 热氧化隔离层，(b) 粘附的AlN层和底部的Pt金属沉积，并通过升降机进行图案制作，(c) 通过溅射的活性AlN层和顶部的Pt金属沉积，并通过Cl2/Ar干法蚀刻进行图案制作，(d) 通过CF4和Cl2干法蚀刻进行悬臂形状制作。聚对二甲苯沉积用于在深背面蚀刻期间保护正面，（f） 通过干 Si 和湿 SiO2 蚀刻进行型腔模式化，通过等离子体 O2 释放悬臂

结果

图2a为制造的AlN悬臂的SEM图像图2b显示了MEMS芯片在PCB上的粘合情况，其后是球顶封装。

(a) SEM 图像：温度传感器（T°）和压电传感器（PZE） （b）MEMS样品+PCB

图2：MEMS压电悬臂

图3a和3b分别显示了在COMSOL中进行的模拟阻抗实部和虚部以及测量的频率再响应，包括信号的振幅和相位。我们可以看到模拟结果（fr = 43.7 kHz, Q = 882）和测量结果（fr = 41.1 kHz, Q = 724）之间有很好的一致性。

（a） COMSOL中的模拟阻抗

（b）使用锁相放大器测量频率响应

图3：空气中的压电谐振和Q因子

为了在气体中进行测量，我们制作了一个特殊的PCB，其中包含一个MEMS芯片、一个压力和温度传感器。该PCB可以拧入气密性金属缸体中，用作气室，见图4。对于标准密度和粘度校准，4种不同气体（N2、CO2、Ar和He）在0至60°C的温度和1至10 bar abs的压力下进行测量。传感器的测量性能如图5所示。可以测量出气体密度的绝对精度<0.03 kg/m3，动态粘度的相对精度为6%。为了优化粘度精度，我们决定将Si器件层从10mm更改为5mm和3mm。第二次技术运行正在进行中。

图4：传感器PCB安装在气密性气室中，右侧有电气连接，左侧有流体连接

图5：（a） 密度

图5：（b） 粘度测量精度

参考文献

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

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

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

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

审核编辑 黄昊宇