微懸臂梁結(jié)構(gòu)的諧振式MEMS黏度傳感器

熱合曼·艾比布力，胡英杰，王同東，趙立波，趙玉龍，蔣莊德

(1.新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機電工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 831401;2.西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西西安 710049)

0 引言

黏度是衡量流體特性的重要參數(shù)之一，它的測量在石油化工、食品加工、制藥以及醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)有十分重要的作用。目前在工業(yè)生產(chǎn)和實驗室過程中，主要采用傳統(tǒng)的方法測量流體黏度，傳統(tǒng)方法大都采用現(xiàn)場取樣，然后在實驗室測量的方式，由于采樣環(huán)境與測試環(huán)境不同，往往使測量結(jié)果發(fā)生偏差。因此，研究出一種能夠快速、實時、準確地測量出流體黏度的低成本微型黏度傳感器有著非常重要的意義。

微型機械電子系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)是20世紀末興起并得到迅猛發(fā)展的軍民兩用的交叉性的高技術(shù)領(lǐng)域，采用MEMS技術(shù)制作的傳感器具有成本低、尺寸小、重量輕、響應(yīng)快以及可集成控制、感應(yīng)和執(zhí)行功能等多種優(yōu)點。目前，國際上A.R.H.Goodwin等［1］采用 SOI(Silicon－On－Insulator，絕緣襯底上的硅)硅片制作的矩形硅微懸臂梁通過振動法來測量流體的密度/黏度，在黏度小于1 mPa·s的流體中實現(xiàn)黏度的測量精度為±10%;Sparks D等人［2］設(shè)計了一種MEMS微管道，通過諧振方法進行流體黏度測量，測量范圍在0.006～0.15 mPa·s，測量精度達到了8%。在國內(nèi)，中科院H.Li等［3］基于電磁激勵和電磁感應(yīng)原理，設(shè)計了雙扭轉(zhuǎn)諧振板式的流體密度/黏度傳感器，并通過能量補償?shù)姆绞教岣吡藗鞲衅鞯撵`敏度和品質(zhì)因子，但傳感器的精度指標未見報道。由于靈敏度高、響應(yīng)迅速、實時測量等特點，微懸臂梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物等量的檢測［4－6］。微懸臂梁主要有兩種工作方式:靜態(tài)方式(測量懸臂梁的自由端撓度)和動態(tài)方式(測量懸臂梁的諧振頻率)。其中，動態(tài)工作方式的輸出信號為準數(shù)字頻域信號，便于傳輸以及信號處理。鑒于在實際生產(chǎn)過程中黏度的重要性，本文開展了基于諧振微懸臂梁的MEMS黏度傳感器的研究，以期可以為MEMS黏度傳感器的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 MEMS黏度傳感器的研制

1.1 傳感器工作原理

本文將MEMS技術(shù)和振動法相結(jié)合，即采用MEMS技術(shù)，來制造黏度傳感器的振動體——微懸臂梁。

設(shè)計的MEMS黏度傳感器芯片模型如圖1所示。

圖1 MEMS黏度傳感器芯片模型

圖1中，1～7為焊盤，起著電氣連接的作用(1、2為激勵線圈提供激勵電壓，3～7為惠斯通電橋8提供電信號并輸出惠斯通的失穩(wěn)電信號;8為4根壓敏電阻組成的惠斯通電橋，以檢測微懸臂梁的形變;9為激勵線圈，在交流電以及外界磁場存在的情況下驅(qū)動微懸臂梁發(fā)生往復(fù)振動;10為單端固支微懸臂梁，即為測量流體黏度的振動體。當(dāng)傳感器置于勻強磁場中并且激勵線圈中通入交流電時，微懸臂梁受到交變的電磁力，并以交流電的頻率開始發(fā)生往復(fù)振動，改變交流電的頻率至某一頻率時，微懸臂梁在待測流體中發(fā)生諧振，根據(jù)此諧振頻率和品質(zhì)因子，即可計算出待測流體的黏度。流體黏度與諧振頻率及品質(zhì)因子之間的關(guān)系式為［1］:

式中:η為流體的黏度;k為通過實驗標定得到的常數(shù);ρ為流體密度;f0為微懸臂梁在流體中的諧振頻率;Qvac為微懸臂梁在真空中的品質(zhì)因子，

式中fvac和gvac分別為微懸臂梁在真空中的諧振頻率和半峰寬的一半。

Q0為微懸臂梁在流體中的品質(zhì)因子

式中g(shù)0為微懸臂梁在流體中半峰寬的一半。

流體密度與諧振頻率之間關(guān)系可以表示為［7］:

式中:ρc為微懸臂梁密度;d為微懸臂梁厚度;b為微懸臂梁寬度。

對于一特定的微懸臂梁而言，ρc、d、b、fvac均為常數(shù)，因此公式(2)進而可以簡化為:

式中k1與k2為常數(shù)，可以通過實驗標定得到。

1.2 傳感器芯片的制造

對于MEMS器件的設(shè)計必須通過工藝來實現(xiàn)，因此工藝限制是MEMS器件設(shè)計中必須重點考慮的因素。由于MEMS加工的工藝特殊性，國內(nèi)各加工單位的加工方法不同，能達到的工藝水平也不同，因此需根據(jù)加工單位的加工能力設(shè)計MEMS芯片的版圖以及工藝流程。本文所設(shè)計的極限工藝參數(shù)為:金屬布線的最小寬度為10 μm;金屬布線的最小間距為8 μm;最小壓阻寬度為8 μm。

綜合考慮上述因素確定了金屬布線的寬度為20 μm、間距10 μm，共22 圈;電阻條寬度為10 μm、間距8 μm，為三折結(jié)構(gòu)，總長為350 μm，有效長度為 300 μm。焊盤面積為 200 μm ×200 μm、硅片劃片槽寬度為200 μm。芯片整體尺寸為7 mm×3.5 mm。最終，加工完成的芯片如圖2所示。

圖2 加工完成的MEMS黏度傳感器芯片實物圖

加工好的芯片是不能直接使用的，需要進行篩選、清洗并進行引線鍵合連接內(nèi)外的電路，以及進行適當(dāng)?shù)胤庋b才能使用。本文后續(xù)實驗所使用的MEMS黏度傳感器芯片以及封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中芯片上微懸臂梁的尺寸為1 363.80 μm(長度)×2 263.11 μm(寬度)×34.12 μm(厚度)。

圖3 本文后續(xù)實驗所用MEMS黏度傳感器芯片及其封裝結(jié)構(gòu)

1.3 實驗系統(tǒng)

本文采用的MEMS黏度傳感器實驗系統(tǒng)包括實驗裝置本體、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、恒溫槽以及溫度測量系統(tǒng)4部分，如圖4所示。實驗裝置本體包含實驗本體(燒杯)、MEMS黏度傳感器及永久磁鐵(磁場由釤鈷磁鐵產(chǎn)生，磁場強度約為0.28 T)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由鎖相放大器、信號發(fā)生器、恒壓源、恒流源轉(zhuǎn)換電路、采集軟件等組成。正弦交流電由信號發(fā)生器Agilent33220A提供正弦驅(qū)動信號和參考信號，MEMS黏度傳感器在磁場中產(chǎn)生的失穩(wěn)信號由SR830數(shù)字鎖相放大器進行檢測，惠斯通電橋由自制恒流源供電，電流大小約為2 mA。

圖4 MEMS黏度傳感器實驗系統(tǒng)

測量過程中恒溫環(huán)境由CH1015超級恒溫槽提供，溫度波動度為±0.05℃，恒溫介質(zhì)為水。待測流體溫度由Fluke17B監(jiān)測。

1.4 實驗系統(tǒng)的標定

在工作方程中，總共包含3個與流體無關(guān)的物理量，一旦這些參數(shù)確定，流體的黏度就可以通過擬合諧振曲線得到。k1、k2和k在常壓，t1=25.0℃狀態(tài)下在正戊烷和甲苯中標定得到。正戊烷和甲苯在常壓25℃的密度參考數(shù)據(jù)來自廠家提供的名義值，分別是 ρA=620.83 kg·m－3，ρB=862.20 kg·m－3。黏度參考數(shù)據(jù)來自REFPROP(Reference Fluid Properties)軟件的計算值，該軟件由美國國家標準技術(shù)研究所(NIST)研制開發(fā)，已經(jīng)被很多研究項目作為熱物性數(shù)據(jù)源，或作為計算結(jié)果準確性的參考數(shù)據(jù)源。由于微懸臂梁的諧振頻率和品質(zhì)因子參數(shù)在空氣環(huán)境與真空的差別相對于在液體環(huán)境與真空的差別是非常小的，為了降低工作方程的標定難度，本文中微懸臂梁在真空中的諧振頻率和半峰寬的一半用在空氣中所測諧振頻率和半峰寬的一半來代替?？諝夂图妆街械玫降闹C振曲線如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可知，由于黏性阻尼的作用，使得諧振曲線的峰值減小，譜峰變寬，品質(zhì)因子降低。隨著流體黏度的增大，諧振峰會逐漸消失，使得黏度傳感器工作失效。圖中，u和v分別是鎖相放大器所采集信號的同相分量和正交分量，通過以下公式［8］，可以擬合出諧振頻率和品質(zhì)因子:

式中:i為－1的平方根;D、E、G為3個通過擬合得到的復(fù)數(shù);F=f0+ig0。

通過實驗，可以得到黏度傳感器在常壓25℃時在空氣、正戊烷和甲苯中的諧振頻率和半峰寬的一半，如表1所示。

圖5 空氣中諧振曲線

圖6 甲苯中諧振曲線

表1 傳感器在常壓25℃時在空氣、正戊烷和甲苯中的諧振頻率和半峰寬的一半

根據(jù)式(1)和式(3)，最終確定參數(shù)k1、k2和k，如表2所示。

表2 工作方程參數(shù)k1、k2和k

3 實驗結(jié)果與實驗分析

本文設(shè)計加工的諧振式微懸臂梁MEMS黏度傳感器在常溫20℃和25℃，壓力為常壓的環(huán)境下，分別在正戊烷、正庚烷、正辛烷和甲苯中進行了實驗測量，試劑在使用前沒有經(jīng)過任何處理。實驗中，每種流體在2個溫度點下至少測量3次，然后取平均值作為實驗結(jié)果，4種流體的黏度參考數(shù)據(jù)來自REFPROP軟件的計算值，具體實驗結(jié)果見表3。

本文測量的4種流體黏度實驗值和參考黏度值的最大相對誤差為－7.62%，平均相對誤差為－4.59%，這表明設(shè)計的MEMS黏度傳感器在黏度為0.1～1 mPa·s的范圍內(nèi)具有良好的精度，能夠達到工程應(yīng)用中流體黏度的測量要求。

4 結(jié)束語

本文研究了諧振式MEMS黏度傳感器的測量機理，并設(shè)計了微懸臂梁結(jié)構(gòu)的傳感器芯片。設(shè)計了傳感器芯片的封裝結(jié)構(gòu)和試驗系統(tǒng)，在常溫常壓下對正戊烷、正庚烷、正辛烷和甲苯四種有機流體進行了黏度測量實驗。實驗結(jié)果表明，流體黏度的最大相對誤差為－7.62%，能夠滿足工程應(yīng)用中流體黏度的測量要求。與此同時，芯片結(jié)構(gòu)簡單、諧振響應(yīng)迅速、測量穩(wěn)定性高，易于實現(xiàn)流體黏度的在線測量。

表3 不同流體的黏度實驗數(shù)據(jù)

［1］GOODWIN A R H，DONZIER E P，VANCAUWENBERGHE O，et al.A Vibrating Edge Supported Plate，F(xiàn)abricated by the Methods of Micro Electro Mechanical System for the Simultaneous Measurement of Density and Viscosity:Results for Methylbenzene and Octane at Temperatures between(323 and 423)K and Pressures in the Rang(0.1 to 68)MPa.J.Chem.Eng.Data，2006，51(1):190 －208.

［2］SPARKS D，SMITH R，CRUZ V，et al.Dynamic and kinematic viscosity measurements with A resonating microtube.Sensors Actuators A，2009，149(1):38 －41.

［3］LI H，WANG J，LI X，et al.Viscosity-density sensor with resonant torsional paddle for direct detection in liquid.IET Nanobiotechnol.，2011，5(4):121 －125.

［4］LAVRIK N V，SEPANIAK M J，DATSKOS P G.Cantilever transducers as a platform for chemical and biological sensors.Rev.Sci.Instrum.，2004，75(7):2229 －2253.

［5］RAITERI R，GRATTAROLA M，BUTT H，et al.Micromechanical cantilever-based biosensors.Sensors Actuators B，2001，79(2 － 3):115－126.

［6］HANSEN K M，THUNDAT T.Microcantilever biosensors.Methods，2005，37(1):57 －64.

［7］SADER J E.Frequency response of cantilever beams immersed in viscous fluids with applications to the atomic Force Microscope.J.Appl.Phys.，1998，84(1):64 －76.

［8］MEHI J B.Analysis of resonance standing-wave measurements.J.Acoust.Soc.Am.，1978，64(5):1523 －1525.