虹科技術

用于氣體密度和粘度傳感器應用的壓電 MEMS 懸臂梁的設計、模擬、制作和表征

摘要

經設計、模擬、制作和測試，基于MEMS懸臂的諧振器用于壓電驅動和感測的氣體監測。氮化鋁（AlN）用作活性材料來實現壓電致動器和傳感器。使用COMSOL進行的模擬和測量結果顯示了非常好的一致性。最后一個系統是氣體監測的全傳感器，可在0至60°C溫度和1至10巴絕對壓力下測量氣體密度和粘度，準確度分別為<0.03 kg/m3 和6%。目前正在進行第二次技術運行，旨在提高粘度的準確性。

關鍵詞：MEMS、諧振器、懸臂、壓電驅動、壓電傳感、密度、粘度、氣體監測

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研究背景、動機和目標

微機械傳感器廣泛用于滿足小型化傳感器日益增長的需求，該傳感器主要用于測量氣體物理參數（例如密度和粘度）。另外，在惰性氣體領域，如焊接氣體或改性的氣體混合應用中，實現超精確的刻度也是非常有意義的。使用標準硅技術可以在降低成本的情況下實現小型化，從而推動進入新的傳感器市場，如低功率手持系統[1]。傳感器的核心是微納米技術中心（EPFL）制造的振蕩微懸臂。微懸臂的峰值共振響應頻率fr和質量因子Q是兩個主要的動態特性，對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來確定[3,4]。

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系統說明：設計與流程

本文設計、模擬、制作和測試了一個MEMS懸臂諧振器（傳感器的核心），該諧振器以壓電方式進行驅動和感應。懸臂頂部集成了壓電傳導，即氮化鋁（AlN），以驅動和檢測設備（諧振頻率和Q因子）。

鉑（Pt）用作頂部和底部金屬觸點，AlN夾在其間以形成致動和感測電極以及溫度傳感器。事實上，在評估氣體熱物理特性時，必須很好地測量和控制溫度，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，長度L=600mm，寬W=202 mm 圖1顯示了詳細的流程

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，并通過升降機進行圖案制作，(c) 通過濺射的活性AlN層和頂部的Pt金屬沉積，并通過Cl2/Ar干法蝕刻進行圖案制作，(d) 通過CF4和Cl2干法蝕刻進行懸臂形狀制作。(e) 聚對二甲苯沉積用于在深背面蝕刻期間保護正面，（f)通過干 Si 和濕 SiO2 蝕刻進行型腔模式化，通過等離子體 O2 釋放懸臂

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結果

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中進行的模擬阻抗實部和虛部以及測量的頻率再響應，包括信號的振幅和相位。我們可以看到模擬結果（fr = 43.7 kHz, Q = 882）和測量結果（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：使用鎖相放大器測量頻率響應

為了在氣體中進行測量，我們制作了一個特殊的PCB，其中包含一個MEMS芯片、一個壓力和溫度傳感器。該PCB可以擰入氣密性金屬缸體中，用作氣室，見圖4。對于標準密度和粘度校準，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的壓力下進行測量。傳感器的測量性能如圖5所示。可以測量出氣體密度的絕對精度<0.03 kg/m3，動態粘度的相對精度為6%。為了優化粘度精度，我們決定將Si器件層從10mm更改為5mm和3mm。第二次技術運行正在進行中。

圖4：傳感器PCB安裝在氣密性氣室中，

右側有電氣連接，左側有流體連接

圖5：（a） 密度

圖5：（b） 粘度測量精度

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參考文獻

[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