專利名稱：微流體裝置和操作及制造其的方法
微流體裝置和操作及制造其的方法相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2008年2月11日遞交的美國臨時申請61/065，353和2008年6月6 日遞交的美國臨時申請61/131，307的權(quán)益。將這些申請的內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文中。
背景技術(shù)：
本發(fā)明大體上涉及用于測量流體特性的裝置和方法。更具體地，本發(fā)明涉及一種 微流體裝置，其配備有共振結(jié)構(gòu)、位于共振結(jié)構(gòu)中供流體流動通過的微通道，以及用于在流 體流動通過微通道時確定流體特性的機構(gòu)。通過將共振結(jié)構(gòu)配置成使由于共振結(jié)構(gòu)的機械 能被耗散到支撐基底上而導(dǎo)致的機械損失最小化，從而提高了該裝置的性能。能夠進(jìn)行精確測量的流體輸送裝置使用在各種工業(yè)中，非限制性的示例包括諸如 藥物注入和麻醉這樣的醫(yī)療系統(tǒng)、包括燃料輸送系統(tǒng)和諸如直接甲醇燃料電池(DMFC)這 樣的燃料電池的能量和燃料系統(tǒng)、以及生活消費品。已經(jīng)提出了各種類型的流率和濃度傳 感器，包括電解質(zhì)型、折射計型、超聲波、電化學(xué)、電磁、以及機電傳感器。后者的示例是公開 在Tadigadapa等的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利6，477，901中的科里奧利微流體裝置，將其中涉及 到科里奧利傳感器的制造和操作的內(nèi)容通過弓I用結(jié)合于本文中。由Tadigadapa等公開的這種類型的科里奧利微流體裝置包括被支撐在基底上方 具有獨立部分的微機械加工的管。驅(qū)動和感測電極都位于該管的獨立部分之下的基底表面 上。例如，驅(qū)動電極能夠被電容性地聯(lián)接到管的獨立部分，用于以共振或接近共振來電容 性地(靜電地)驅(qū)動該獨立部分，同時感測電極感測(例如，電容性地、光學(xué)地等)該共振 的管相對于基底的偏斜并提供反饋，以便使由驅(qū)動電極導(dǎo)致的振動頻率能夠被合適的電路 控制。在使用時，當(dāng)流體流動通過管內(nèi)的內(nèi)部通路時，通過驅(qū)動電極以共振或接近共振來振 動該獨立部分，以便使用科里奧利力的原理來確定流體的某些特性，例如流率和密度。特別 地，當(dāng)通過驅(qū)動電極以共振或接近共振來驅(qū)動該獨立部分時，感測電極感測該獨立部分圍 繞其對稱軸線的扭轉(zhuǎn)運動，該扭轉(zhuǎn)運動稱為科里奧利效應(yīng)。在振動周期期間作為科里奧利 效應(yīng)結(jié)果的獨立部分的扭轉(zhuǎn)(偏斜)程度能夠與流體流動通過管的質(zhì)量流率相關(guān)聯(lián)，而流 體的密度則與共振的振動頻率成比例?？评飱W利微流體裝置的顯著優(yōu)點包括將這些裝置小型化到了使用半導(dǎo)體技術(shù)也 能夠制造的大小。如Tadigadapa等所教導(dǎo)的那樣，通過例如體蝕刻和表面薄膜蝕刻的這樣 的微機械加工技術(shù)，裝置的結(jié)構(gòu)化部件能夠與電子部件組合在單個芯片上，以生產(chǎn)出能夠 精確地分析極少量流體的微機電系統(tǒng)(MEMS)。當(dāng)被適當(dāng)?shù)匦⌒突瘯r，科里奧利微流體裝置 能夠由壓頂晶片包圍以便允許真空封裝，該真空封裝通過減少空氣阻尼效應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)了 裝置的性能。Tadigadapa等公開的微流體裝置能夠廣泛用于各種應(yīng)用中，這從下面的文獻(xiàn)便可 以明顯看出共同轉(zhuǎn)讓的美國專利6637257、6647778、6932114、7059176、7228735、7263882、 7354429 和 7437912，以及美國公開專利申請 2004/0171983、2005/0126304、2005/0284815、 2005/0235759、2006/0211981、2007/0151335、2007/0157739、2008/0154535，以及美國待決專利申請12/031839、12/031860、12/106642和12/143942。作為具體示例，美國專利 7263882教導(dǎo)通過在流體樣本流動通過基于MEMS的科里奧利微流體裝置的共振管中的微 通道時感測流體密度的變化，能夠測量化學(xué)濃度，包括燃料電池溶液的化學(xué)濃度，而美國公 開專利申請2007/0157739教導(dǎo)了檢測潛在測量誤差的能力，該潛在測量誤差歸因于通過 基于MEMS的科里奧利微流體裝置的共振管進(jìn)行評估的流體中的第二相(例如，氣泡)。盡管呈現(xiàn)出對流體的質(zhì)量流率、密度和各種其它特性具有非常高的靈敏性，但 Tadigadapa等教導(dǎo)的這種類型的基于MEMS的科里奧利微流體裝置具有由于將共振管附接 到基底上所導(dǎo)致的機械損失。特別是，作為錨接(附接)到MEMS基底的管的基底由于管的 移位而被施加應(yīng)力的結(jié)果所導(dǎo)致的夾緊損失。振動能量的一部分通過波傳播到MEMS基底 中，從而從管上損失掉。在只考慮一部分振動能量時，夾緊損失足以使得為實現(xiàn)最佳性能需 要相對較大的封裝質(zhì)量以便耗散掉機械能的損失，并且將共振管與外部機械應(yīng)力和振動隔 離開。同樣，還期望對基于MEMS的科里奧利微流體裝置的靈敏性進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，以完全 實現(xiàn)這些裝置的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種微機電系統(tǒng)(MEMS)裝置和用于操作該裝置以確定流體的至少 一個特性的方法。本發(fā)明還提供了這樣的能力，即通過使由于共振管與基底之間的附接所 導(dǎo)致的夾緊損失最小化，從而能夠改進(jìn)裝置的性能。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，MEMS裝置包括位于基底上的第一基部和從第一基部延伸 并且與基底表面分隔開的管結(jié)構(gòu)。該管結(jié)構(gòu)包括至少一個管部分，更優(yōu)選地是基本位于一 個平面上的至少一對平行的管部分；被限定為至少部分地位于平行的管部分內(nèi)的至少一個 連續(xù)的內(nèi)部通路；和與第一基部流體連接的內(nèi)部通路的入口和出口。該管結(jié)構(gòu)被配置為用 于在該管結(jié)構(gòu)的平面中進(jìn)行振動運動。至少一個驅(qū)動元件與該管結(jié)構(gòu)接近，并且可操作以 引起該管結(jié)構(gòu)在其平面內(nèi)進(jìn)行振動運動，并且在管部分中引起共振的振動運動。至少一個 感測元件與管結(jié)構(gòu)接近，并且適于當(dāng)管結(jié)構(gòu)被采用驅(qū)動元件加以振動時，感測各個管部分 的偏斜。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種操作所述裝置的方法，該方法包括操作驅(qū)動元件， 以便當(dāng)流體流動通過管結(jié)構(gòu)內(nèi)的內(nèi)部通路時引起管結(jié)構(gòu)的振動運動，從而使得管結(jié)構(gòu)的振 動運動平行于管結(jié)構(gòu)的平面，并且管部分以彼此約180度的異相進(jìn)行共振。感測元件被操 作以感測管部分的偏斜，并且產(chǎn)生對應(yīng)于感測到的偏斜的輸出，從該輸出能夠確定流體的 至少一個特性。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，平行的管的振動運動優(yōu)選彼此約180度異相，以使必須 被耗散到基底的機械(夾緊)損失最小化。發(fā)明的該方面可被用于提高M(jìn)EMS裝置的靈敏 性，和/或允許使用比傳統(tǒng)的MEMS裝置便宜的封裝工藝和材料。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方 面，平行的管優(yōu)選通過磁力被驅(qū)動，但通過壓電、壓阻、靜電、熱、光學(xué)和其它驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動 也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在共振結(jié)構(gòu)中的振動中使用磁感應(yīng)，使得共振結(jié)構(gòu)與其驅(qū)動和感測 結(jié)構(gòu)之間能夠具有較大的間隙，因此減小了通常在MEMS科里奧利微流體傳感器的真空封 裝中所必須的壓膜阻尼。從下面的詳細(xì)說明將能更好地認(rèn)識到本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點。


圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的具有微機械加工結(jié)構(gòu)的微流體裝置的平面視圖， 其包括橋架在空腔上的一對平行的管部分和位于管部分之間用于靜電地振動該管部分的 驅(qū)動結(jié)構(gòu)。圖2為圖1的微流體裝置的剖視圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明第四實施例的具有微機械加工的懸臂結(jié)構(gòu)的微流體裝置的平 面視圖，其包括U形管結(jié)構(gòu)和被管結(jié)構(gòu)圍繞和附接到該管結(jié)構(gòu)的感測結(jié)構(gòu)，其中管結(jié)構(gòu)適 于被磁性地或電磁性地振動，感測結(jié)構(gòu)適于感測管結(jié)構(gòu)的振動。圖4為圖3的微流體裝置的剖視圖。圖5為圖3和圖4的微流體裝置被包圍在配置成磁性地或電磁性地振動平行的管 部分的殼體中時的剖視圖。圖6為根據(jù)本發(fā)明第五實施例的具有微機械加工的橋結(jié)構(gòu)的微流體裝置的平面 視圖，其包括橋架在空腔上的一對平行的管部分，其中管部分適于被電磁性地振動，感測元 件位于管部分上且圍繞管部分，以感測管部分的振動。圖7為圖6的微流體裝置的剖視圖。圖8為根據(jù)本發(fā)明第七實施例的具有微機械加工結(jié)構(gòu)的微流體裝置的平面視圖， 其包括橋架在空腔上且適于被電磁性地振動的單個管部分。圖9為通過圖1至圖8中的管部分中的一個的流體入口 /出口的細(xì)節(jié)剖視圖。
具體實施例方式圖1至圖9圖示了結(jié)構(gòu)和操作都與Tadigadapa等公開的MEMS微流體裝置類似的 MEMS微流體裝置10，但MEMS微流體裝置10被修改以具有改進(jìn)的操作特性。在圖1至圖9 中，使用同樣的附圖標(biāo)記指代功能等同的結(jié)構(gòu)。每個裝置10被示出為制造在基底12上，基 底12可以是晶片級別的部件或者是附接有裝置10的微機械加工部件的封裝的一部分。根 據(jù)裝置10的應(yīng)用、構(gòu)造和封裝，基底12可由硅、摻雜硅或其它半導(dǎo)體材料、石英、玻璃、陶 瓷、金屬、復(fù)合材料或能被微機械加工的其它材料形成。管結(jié)構(gòu)14由結(jié)合在基底12上的至 少一個基部16支撐，使得管結(jié)構(gòu)14被支撐在基底12的表面18的上方。管結(jié)構(gòu)14及其基 部16能夠由各種材料形成，包括但不限于硅、摻雜硅和其它半導(dǎo)體材料、金剛石、金屬(例 如鎢、銅、鋁、鉬、鈦、鉭和其它常見的沉積膜材料)、包括玻璃和陶瓷(例如碳化硅)的電介 質(zhì)材料，以及能被微機械加工的其它材料。根據(jù)裝置10的具體構(gòu)造，管結(jié)構(gòu)14之下的基底 表面18可由基底12中的一個或多個凹陷或者其它任何方式限定，以在管結(jié)構(gòu)14和基底12 之間限定間隙。圖1、圖3、圖6和圖8為裝置10的平面視圖，其描繪了能夠具有各種形狀的管結(jié) 構(gòu)14。圖1、圖3、圖6和圖8示出的實施例的共同點是具有管部分，更優(yōu)選的是至少一對 平行的管部分14A和14B，以作為其管結(jié)構(gòu)14的一部分。這些圖中所示的裝置10的管部 分14A和14B優(yōu)選位于與基底表面18基本平行的平面上，管部分14A和14B懸在基底表面 18的上方。圖1、圖6和圖8的管結(jié)構(gòu)14橋架在基部16的兩個部分16A和16B之間的基 底表面18上，但是圖3中的管結(jié)構(gòu)14懸臂式位于基底表面12的上方。每個管結(jié)構(gòu)14限定有流體(氣體、液體或氣-液混合體)能夠流動通過的至少一個連續(xù)的內(nèi)部通路。在圖1 中，平行的管部分14A和14B限定了一對平行的通路20A和20B，通路20A和20B在流體上 是并聯(lián)的，而在圖3和圖6中，平行的管部分14A和14B限定了一對幾何上平行的通路20A 和20B，其在流體上是串聯(lián)的，以在管結(jié)構(gòu)14中限定連續(xù)的內(nèi)部通路20。也可預(yù)見到用于 管結(jié)構(gòu)14和它們的內(nèi)部通路20、20A和20B的其它更簡單和更復(fù)雜的配置。在這些圖中示出的實施例中，流體通過位于基部16中的一對端口 22進(jìn)入和離開 管結(jié)構(gòu)14，端口 22中的任何一個均可作為入口或者出口，用于使流體流動通過通路20A和 20B。與Tadigadapa等的教導(dǎo)一致，圖1至圖8的管結(jié)構(gòu)14也旨在以管部分14A和14B 的共振頻率或接近其共振頻率被振動，從而使用科里奧利力原理來確定流動通過管結(jié)構(gòu)14 的流體的質(zhì)量流率和密度。然而，與Tadigadapa等的教導(dǎo)相反的是，這些圖中示出的每個 管結(jié)構(gòu)14被配置成并且適于使管結(jié)構(gòu)14的振動運動是在與其所在的平面平行且與基底表 面18平行的方向上，而不是在與它們的平面和基底表面18垂直的方向上。此外，管部分 14A和14B具有至少一個振動模式，在該模式中，它們的共振振動運動是在管結(jié)構(gòu)14的平面 中，且彼此大約180度異相。每個管結(jié)構(gòu)14及其管部分14A和14B以及通路20A和20B的形狀和尺寸可以選 擇，以提供用于裝置10進(jìn)行評估的流體所需的足夠的流動容積，以及合適的振動參數(shù)。管 結(jié)構(gòu)14、基部16和內(nèi)部通路20、20A和20B優(yōu)選通過微機械加工形成，該微機械加工是已知 的，在本文用來指通過體蝕刻基底(例如硅晶片)或通過表面薄膜蝕刻形成非常小的元件 的技術(shù)，表面薄膜蝕刻通常涉及到在基底表面上的犧牲層(例如氧化層)上沉積薄膜(例 如多晶硅或金屬)，然后選擇性地移除犧牲層的一些部分以去除沉積的薄膜。管結(jié)構(gòu)14和 基部16能夠整個由沉積或結(jié)合在基底上的被選材料層制造，或者通過蝕刻基底12被部分 地制造。因為采用微機械加工技術(shù)制造管結(jié)構(gòu)14，所以管結(jié)構(gòu)14及其內(nèi)部通路20、20A和 20B的尺寸可以非常小，例如，管長度為約0. 5mm或更小，通路寬度為十微米至一千微米，使 用更小或更大的管和通路也在本發(fā)明范圍內(nèi)。使用微機械加工技術(shù)制造本發(fā)明的裝置10的特別合適的工藝被公開在共同轉(zhuǎn)讓 給Tadigadapa等的美國專利6，477901、共同轉(zhuǎn)讓給Sparks的美國專利6647778、以及共同 轉(zhuǎn)讓給Sparks等的美國專利7，381，628中，將這些文獻(xiàn)中與微機械加工工藝相關(guān)的公開內(nèi) 容通過引用結(jié)合于本文中。在本發(fā)明范圍內(nèi)的還包括通過電鍍、無電鍍、濺射和蒸發(fā)金屬 而產(chǎn)生的管結(jié)構(gòu)14，以及使用電介質(zhì)層和犧牲層形成管結(jié)構(gòu)14的內(nèi)部通路20、20A和20C。 電介質(zhì)層能夠保留在管結(jié)構(gòu)14上，以便為構(gòu)建在管結(jié)構(gòu)14上的后續(xù)層提供電絕緣，如下面 更詳細(xì)描述的那樣，其將作為致動管結(jié)構(gòu)14和感測管結(jié)構(gòu)14的振動的機構(gòu)。最后，本發(fā)明 的范圍還包括構(gòu)造金屬、玻璃、聚合物或陶瓷材料的管結(jié)構(gòu)14，將金屬線、布線(runner)、 電路跡線附接到管結(jié)構(gòu)14上以作為致動和/或感測機構(gòu)。例如，由金屬材料形成的管結(jié)構(gòu) 14的振動可以由結(jié)合在管結(jié)構(gòu)14上的柔性電路來感應(yīng)。由于其小型化的尺寸，圖1至圖9中所示的微機械加工的管部分14A和14B能被 用于非常精確地確定流動通過管結(jié)構(gòu)14的流體的質(zhì)量流率和密度。這樣，裝置10適于廣 泛使用在精度和準(zhǔn)確度非常重要的各種應(yīng)用中，例如化學(xué)濃度的應(yīng)用，包括但不限于藥物 注入系統(tǒng)、燃料輸送系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、以及藥物和化學(xué)品的混合系統(tǒng)?？评飱W利力原理 還能夠用于確定流動通過管結(jié)構(gòu)14的流體的粘度、潤滑性和其它特性。
具體參見圖1和圖2，其示出了裝置10的實施例，其中管結(jié)構(gòu)14被配置為使得管 部分14A和14B各自在基部16的兩個部分16A和16B之間平行地橋架在基底表面18上， 且具有基本線性和平直的形狀。在管結(jié)構(gòu)14向上行進(jìn)的半個振動周期中，每個管部分14A 和14B在流體行進(jìn)通過它們時具有向上的動量，進(jìn)入管結(jié)構(gòu)14的流體通過向下推動位于作 為流體入口的端口 22附近的管部分14A和14B來抵抗管結(jié)構(gòu)14的豎直向上的運動，而離 開管結(jié)構(gòu)14的流體通過向上推動位于作為流體出口的端口 22附近的管部分14A和14B來 抵抗使其向上的豎直運動(從管結(jié)構(gòu)14獲得的)減小。這些的合力導(dǎo)致入口端口 22附近 的管部分14A和14B的偏斜延遲在出口端口 22附近的管部分14A和14B的偏斜之后。振 動周期期間的該延遲是科里奧利效應(yīng)的結(jié)果，并且能夠與流過管結(jié)構(gòu)14的流體的質(zhì)量流 率相關(guān)聯(lián)，而流體的密度則與共振時的振動頻率成比例。雖然對于MEMS裝置10所使用的操作和感測技術(shù)而言是必須的，但是管結(jié)構(gòu)14的 扭轉(zhuǎn)運動向管結(jié)構(gòu)14和基部16之間的附接件施加機械應(yīng)力，從而導(dǎo)致了夾緊損失，該夾緊 損失必須被耗散到基底12以及將裝置10包圍在其中的任何額外的封裝。本發(fā)明期望的一 個方面是，通過使管部分14A和14B如圖1和圖2中由箭頭所示那樣在管結(jié)構(gòu)14所在的 相同平面上振動，從而減少這些損失。通過配置管結(jié)構(gòu)14，使得管部分14A和14B彼此以 大約180度異相來進(jìn)行振動，從而使耗散到基底12的機械損失被最小化。隨著管部分14A 和14B的質(zhì)量變得更接近，能提高使機械損失最小化的能力，因此可以確信當(dāng)管部分14A和 14B的質(zhì)量接近相等時，能得到最優(yōu)的結(jié)果。管部分14A和14B的共振頻率受它們的機械設(shè) 計(形狀、尺寸、質(zhì)量、構(gòu)造和材料)的影響，這能夠針對具體的應(yīng)用通過使用例如已知的有 限元建模而被優(yōu)化。對于很多應(yīng)用而言，合適的共振頻率將通常在約IkHz至約150kHz的 范圍內(nèi)。管部分14A和14B的相關(guān)的振動幅度也將由它們的機械設(shè)計確定，而振幅總體上 能夠通過用于使管結(jié)構(gòu)14振動的機構(gòu)來調(diào)節(jié)。為此目的，圖1和圖2示出形成為位于基底 12上并且處于管結(jié)構(gòu)14的管部分14A和14B之間的平臺24的一部分的驅(qū)動元件26。驅(qū) 動元件26可由任何適合的材料形成，例如摻雜硅或金屬。如果管結(jié)構(gòu)14也由諸如摻雜硅 或金屬這樣的導(dǎo)電材料形成，則其能夠被電容性地與驅(qū)動元件26聯(lián)接，使元件26能夠靜電 地驅(qū)動管結(jié)構(gòu)14。然而，可預(yù)見的是，管結(jié)構(gòu)14可以由非導(dǎo)電材料形成，并且分離的電極形 成在管結(jié)構(gòu)14上且面對元件26，用于靜電地振動管結(jié)構(gòu)14。因為彼此接近能改善靜電聯(lián) 接，因此管部分14A和14B之間的間隙32優(yōu)選大約在約1微米至約5微米的量級，但更小 或更大的間隙也是可以預(yù)見的。為了實現(xiàn)均勻的窄間隙32，管結(jié)構(gòu)14和平臺24優(yōu)選通過 反應(yīng)離子蝕刻(RIE)或等離子蝕刻限定，但也可預(yù)見濕式蝕刻和其它技術(shù)也可用于限定管 結(jié)構(gòu)14的壁和平臺24。如參照本發(fā)明其它實施例討論的那樣，采用對圖1和圖2的管結(jié)構(gòu) 14進(jìn)行驅(qū)動的其它技術(shù)，包括磁的、壓電的、壓阻的、熱的和光學(xué)技術(shù)，更大的間隙寬度將變 得實用。附圖進(jìn)一步示出成對布置的感測元件28A、28B和28C，以感測管結(jié)構(gòu)14相對于基 底12的偏斜，并且向驅(qū)動元件26提供反饋，從而使得通過任何適合的片上或遠(yuǎn)程微處理器 或微控制器(未示出)來控制振動頻率。感測元件28A-C能夠電容性地、靜電地、磁性地、 電磁性地、壓電地、壓阻地、熱地、光學(xué)地感測相鄰管部分14A和14B的接近或運動，或者以 任何其它能夠感測管結(jié)構(gòu)14的接近和運動適合的方式來感測相鄰的管部分14A或14B的接近或運動。作為科里奧利效應(yīng)的結(jié)果，沿每個管部分14A和14B長度的偏斜優(yōu)選由感測 元件28A檢測，而振動頻率優(yōu)選由感測元件28B檢測。盡管感測元件28A和28B被示出為 通過平行于管結(jié)構(gòu)14的振動方向的側(cè)向間隙與管結(jié)構(gòu)14分開，但感測元件28A和28B可 以放置在管結(jié)構(gòu)14之下，與管結(jié)構(gòu)的邊緣緊密對準(zhǔn)，以便在管結(jié)構(gòu)14運動到元件28A和 28B上并隨后遠(yuǎn)離元件28A和28B時感測側(cè)向運動。剩下的感測元件28C被示出為位于平 臺24上，并且可被用作附加感測電極或用作平衡電極，以補償由于在管結(jié)構(gòu)14上的工藝處 理差異、與封裝相關(guān)的應(yīng)力和老化效應(yīng)導(dǎo)致的會引起輸出誤差和漂移的誤差。驅(qū)動元件26 和感測元件28A-C的輸入和輸出信號可以通過沿著基底12邊緣的接合焊盤(未示出)實 現(xiàn)，并且通過本領(lǐng)域中所熟知的適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)電路傳輸?shù)轿⒖刂破?。如之前所述，本發(fā)明的優(yōu)選方面是通過使管部分14A和14B在大致相同的平面上 (管結(jié)構(gòu)14的平面)彼此以約180度異相來振動，從而減少機械損失。減少的機械損失使 得本發(fā)明有可能使裝置10能夠放置在有聲音損失的材料(例如較便宜的塑料基底)上，和 /或被封裝在塑料封裝中和/或被超模壓(over molded)，以降低產(chǎn)品成本。減少的機械損 失還可能使傳感器封裝能夠經(jīng)受更大的機械應(yīng)力，而不會對裝置10的性能產(chǎn)生不利影響。如上面所述，因為管結(jié)構(gòu)14懸掛在基底表面12的上方，因此圖3和圖4的管結(jié)構(gòu) 14與圖1和圖2的實施例存在部分不同。另外，管部分14A和14B幾何上平行，但流體上串 聯(lián)，并且彼此相鄰被錨接到基部16。管結(jié)構(gòu)14限定的連續(xù)的內(nèi)部通路20被示出為具有U 形配置，但其它形狀也是可以的。如圖3明顯看到那樣，平臺24被物理地連接到管結(jié)構(gòu)14 的遠(yuǎn)端14C。以此方式，感測元件28A-B和平衡元件28C可路由成圍繞在處于平臺24與管 部分14A和14B之間的間隙32的周圍，而驅(qū)動元件26則保留在管結(jié)構(gòu)14上。可任選的框 架30圍繞懸臂管結(jié)構(gòu)14和平臺24?？蚣?0在制造期間改善裝置芯片的搬運性，并且提 供了能在其上形成金屬跡線或布線的表面。與基部16結(jié)合，框架30還在制造和搬運期間 向管結(jié)構(gòu)14和平臺24提供附加的保護(hù)。盡管沒有框架30也是可能的，但由框架30提供 的保護(hù)能夠使管結(jié)構(gòu)14不必懸在基底12之上。替代的是，基部16能夠通過粘接、焊接或 其它附接方法被附接到基底12上，而只需管結(jié)構(gòu)14和框架30 (可任選)從基底12向外懸 掛。這種整個懸臂的管結(jié)構(gòu)14(和框架30)提供了這樣的能力改善了在寬的溫度范圍下 的性能，并且防止或者至少顯著減小由于裝置10的各種材料具有不同的熱膨脹系數(shù)而導(dǎo) 致裝置10撓曲的封裝應(yīng)力。根據(jù)圖3和圖4實施例的優(yōu)選方面，盡管可以使用包括靜電、壓電、熱、壓阻、光學(xué) 和其它致動技術(shù)的各種驅(qū)動技術(shù)，但管結(jié)構(gòu)14優(yōu)選被磁性地驅(qū)動。例如，圖3示出作為管 結(jié)構(gòu)14的上表面上的金屬跡線或布線(例如鋁或其它適合的導(dǎo)電材料)的驅(qū)動元件26， 用于在使用定位在管結(jié)構(gòu)14上方和/或下方的一個或多個磁場源38 (圖4)的情形中電磁 性地振動管結(jié)構(gòu)14。如本領(lǐng)域所知的那樣，這種類型的磁致動方案使用洛倫茲力。當(dāng)電流 在磁場下通過驅(qū)動元件26時，電流的每個運動的電荷都經(jīng)受洛倫茲力。在圖3的驅(qū)動元件 26的直線段的情況下，洛倫茲力可按照下面計算F=ILXB其中F為力(單位為牛頓)，I是驅(qū)動元件26中的電流(單位為安培)，B為磁場 矢量(單位為特斯拉)，X為矢量叉積，L為矢量，其量值為驅(qū)動元件26的長度(單位為 米)，其方向沿驅(qū)動元件26與傳統(tǒng)的電流流動方向?qū)?zhǔn)。
感測元件28A和28B也被示出為是以放置在平臺24上表面上的金屬跡線或布線 (例如鋁或其它適合的導(dǎo)電材料)的形式，用于電磁性地感測管結(jié)構(gòu)14的運動。感測元件 28A和28B被示出為沿平臺24的側(cè)向邊緣布置，接近管結(jié)構(gòu)14，用于與驅(qū)動元件26電磁 聯(lián)接。驅(qū)動元件26和感測元件28A-C被示出為連接到接合焊盤34，接合焊盤34可與用于 形成元件26和28的接合焊盤形成在同一個金屬層上。根據(jù)圖1和圖2的實施例，替代性 感測技術(shù)包括電容的、靜電的、壓電的、壓阻的、熱的、光學(xué)的方法和其它能夠感測管結(jié)構(gòu)14 的接近或運動的合適方法。同樣，圖3和圖4的電磁驅(qū)動和感測方案也可用于圖1和圖2 的裝置結(jié)構(gòu)。通過使電流通過驅(qū)動元件26，在管結(jié)構(gòu)14中可引起振動。更具體地，在由一個或 多個磁場源(電磁體)38施加的正弦或交變磁場的影響下，在每個完整的振動周期內(nèi)，促使 管部分14A和14B遠(yuǎn)離彼此側(cè)向向外運動，然后朝向彼此側(cè)向向內(nèi)運動。通過在驅(qū)動元件 26沿垂直磁場的方向移動時檢測驅(qū)動元件26上產(chǎn)生的電壓，感測元件28A-B檢測管結(jié)構(gòu) 14的振動。可使用環(huán)形磁極(未示出)來聚集管結(jié)構(gòu)14上的磁場。根據(jù)管結(jié)構(gòu)14的材 料，驅(qū)動元件26可制造在管結(jié)構(gòu)14的表面上的電介質(zhì)層46(例如二氧化硅)上，從而在它 們之間提供電絕緣。應(yīng)該注意到，如果采用非電磁的驅(qū)動和/或感測方案，例如靜電的、壓電的、熱的、 壓阻的、光學(xué)的方案等，驅(qū)動和感測元件26和28可被配置為與圖3和圖4所示的不同，并 且可由不同的材料形成。例如，在壓電致動/感測方案中，諸如氮化鋁、鋯鈦酸鉛(PZT)、石 英這樣的壓電材料或者其它壓電材料可作為元件包括在如圖3和圖4中所示的用于驅(qū)動和 感測元件26和28的導(dǎo)電布線中。之后，已知的逆壓電效應(yīng)可由一個或多個驅(qū)動元件26利 用，以便響應(yīng)于所施加的電場在管結(jié)構(gòu)14中產(chǎn)生引起振動的交變的應(yīng)力/應(yīng)變，而一個或 多個感測元件28可利用直接壓電效應(yīng)，以便在振動時響應(yīng)管結(jié)構(gòu)14的彎曲而產(chǎn)生電信號。使用圖1至圖8所示的裝置10中任意一個裝置實現(xiàn)的測量精度可通過監(jiān)測流動 通過管結(jié)構(gòu)14的流體溫度而得以改善。為此目的，圖3中示出裝置10配備有溫度感測元 件36。感測元件36的適合的構(gòu)造可使用與形成驅(qū)動元件26和感測元件28及其相關(guān)的接 合焊盤34的金屬層相同的金屬層，或者使用與形成驅(qū)動元件26和感測元件28及接合焊盤 34的金屬層類型相同的一個或多個附加的金屬層。例如，根據(jù)已知的實踐，基于電阻的溫度 感測元件36可由金、鉬、鈀、鉻、鎳、鋁、多晶硅或其它導(dǎo)電材料的薄膜金屬層形成。并且，驅(qū) 動元件26和感測元件28中的任何一個都可用作薄膜溫度感測元件，代替圖中所示的專用 溫度感測元件36。通過溫度感測元件36，導(dǎo)致溫度變化的管結(jié)構(gòu)14的機械特性和管結(jié)構(gòu) 14中的流體的特性的變化能夠通過信號調(diào)節(jié)電路補償。盡管圖3中示出溫度感測元件36 在靠近管結(jié)構(gòu)14的基部16上，但可以預(yù)見的是，溫度感測元件36可被制造在框架30上或 者管結(jié)構(gòu)14上(圖8和圖9)，以得到流體溫度的更精確的讀數(shù)。圖5示出了圖3和圖4的裝置10被蓋40包圍，從而形成感測封裝42。根據(jù)蓋40 的構(gòu)造和材料，蓋40的使用優(yōu)選防塵和防止裝置10及其部件的化學(xué)腐蝕，并且可允許真空 封裝，以減少管振動的空氣阻尼。對于傳感器封裝而言，存在多種封裝和晶片級的方法，包 括真空封裝裝置。這些包括焊接或熔接的氣密封裝，和使用玻璃粉、焊料、共熔合金、粘接劑 和陽極鍵合的晶片結(jié)合。蓋40的一種適合材料的具體示例是硅，其具有允許使用硅-硅鍵 合技術(shù)的優(yōu)點，但可以預(yù)見的是可以使用各種其它材料，包括金屬和玻璃材料，后者包括硼
12硅酸鹽玻璃(例如派熱克斯(Pyrex)玻璃)。蓋40可包圍印刷電路板或ASIC，裝置10的 輸出可通過絲焊(wirebonded)或其它方式電連接到印刷電路板或ASIC上。圖5描繪了磁場源38的多種可能位置中的三個位置。為了與圖3和圖4的金屬 驅(qū)動元件26和感測元件28A-B結(jié)合使用，磁場源38可為永磁體或磁芯組合?？商娲?，圖 3進(jìn)一步描繪了放置在管結(jié)構(gòu)14的上表面上的磁性材料薄膜48，用于與電磁體38結(jié)合使 用，產(chǎn)生交變的洛倫茲力，以引起沿與結(jié)構(gòu)14的平面平行的方向上的振動。用于膜48的合 適的磁性材料包括鐵磁材料和合金、鐵、鎳、鈷、及它們的合金、鐵硅合金、KOVAR (可 從卡朋特(carpenter)技術(shù)公司買到的鎳鈷鐵合金)、低碳鋼、導(dǎo)磁合金(鎳鐵合金)、金屬 硅化物、鐵硅鋁合金、稀土磁性材料、鐵素體和其它適合的磁體材料。可采用各種方法形成 磁性膜48，包括陰影掩模、光刻術(shù)、掩模和蝕刻、噴射(liftoff)處理等。通過諸如蒸發(fā)、濺 射、電鍍及其組合的非限制性方法或者其它方法，磁性膜48可被沉積。采用硅形成材料或 其它適合的材料可提高磁性膜48的粘附。膜48可被退火和/或極化以改善其性能?？墒?用磁芯材料以進(jìn)一步將磁場聚焦在磁性膜48上。例如，由鐵或其它類似材料制成的C形或 U形磁芯可包括位于其路徑上的永磁體和裝置10。適于用作磁場源38的電磁體可以是任何適合的類型，包括桿類磁芯和C形鐵素體 或鐵心電磁體。位于管結(jié)構(gòu)14上方或下方的磁場源38通過產(chǎn)生與管結(jié)構(gòu)14的振動平面 基本垂直的磁場從而在結(jié)構(gòu)14中引起側(cè)向振動?？商娲鼗蛘吡硗獾兀瑘D5示出了位于管 結(jié)構(gòu)14的側(cè)部的磁場源38，其大體上位于管結(jié)構(gòu)14的平面中。磁場源38的該位置可改善 裝置10的相位分離，用于流檢測，特別是當(dāng)管結(jié)構(gòu)14包括鐵素體材料時。當(dāng)為電磁體形式 時，磁場源38可形成鎖相環(huán)電路的一部分，以便在長時間和在溫度變化的情況下將管結(jié)構(gòu) 14保持在其共振頻率處。在期望傳感器封裝42中為真空的本發(fā)明某些實施例中，蓋40和基底12之間的結(jié) 合是氣密的，導(dǎo)致外殼被排空，從而使管結(jié)構(gòu)14在沒有阻尼的情況下以高的品質(zhì)(Q)因數(shù) 被有效驅(qū)動。在這種實施例中，吸氣材料44優(yōu)選放置在外殼中，以幫助減少和維持低的空 腔壓力?？深A(yù)見到，可通過為磁性膜48選擇適合的材料來代替吸氣材料44的角色，從而不 再需要形成吸氣材料44的單獨的金屬沉積的步驟。作為氣密地密封的封裝的替代，管結(jié)構(gòu) 14可被包圍為通過使用泵在期望的時候進(jìn)行抽吸以獲得真空。應(yīng)該注意到，因為使用磁性致動方案來驅(qū)動管結(jié)構(gòu)14允許在管結(jié)構(gòu)14及其驅(qū)動 元件26和感測元件28A-B之間具有較大的間隙32，所以壓膜阻尼可被充分減小，從而使裝 置10不需要真空封裝。這樣的優(yōu)點在于，通過使管部分14A和14B的側(cè)壁變薄，能夠減小 管結(jié)構(gòu)14的質(zhì)量，從而增加裝置10對密度或化學(xué)濃度測量的靈敏性。在限定管結(jié)構(gòu)14的 壁之后，通過執(zhí)行附加的各向同性蝕刻或各向異性蝕刻而使側(cè)壁變薄。該步驟可以作為制 造裝置10的標(biāo)準(zhǔn)工藝中的一部分而被執(zhí)行，或者在裝置10已經(jīng)被測試以確定其共振頻率 之后交替進(jìn)行。從上可見，應(yīng)該理解的是，圖5所示的氣密性封裝42對于圖1和圖2的裝置10而 言是適合的或需要的，因為圖1和圖2的裝置10的靜電感測技術(shù)使得在管結(jié)構(gòu)14與其驅(qū) 動元件26和感測元件28A-C之間的較窄間隙32成為必要。此外，盡管真空封裝不是必需 的，但通常期望具有圖3和圖4的裝置的外殼，以防塵和防止裝置10及其部件的化學(xué)腐蝕。參見圖6和圖7，裝置10示出為具有管結(jié)構(gòu)14，管結(jié)構(gòu)14的管部分14A和14B橋架在基底表面18上，其與圖1和圖2的橋類型實施例類似。管結(jié)構(gòu)14的遠(yuǎn)端14C被物理 連接到基部16，結(jié)果是，圖6和圖7示出了本發(fā)明另一種橋類型實施例。裝置10在一個方 面不同，即驅(qū)動元件26和感測元件28A-B為用于電磁致動的布線的形式，這與圖3和圖4 的實施例類似。此外，省略了平臺24，結(jié)果是，平行的管部分14A和14B被它們之間的單個 間隙32A彼此分隔開，跨過其進(jìn)行感測的間隙32B存在于管結(jié)構(gòu)14外部(與圖1類似)， 而不是在管結(jié)構(gòu)14的內(nèi)部(如圖3的情況)。另外，可任選的加固橋50設(shè)置在管部分14A 和14B之間，并連接管部分14A和14B，可任選的彈簧52設(shè)置在管部分14A和14B之間，并 將管部分14A和14B連接到圍繞管結(jié)構(gòu)14的框架30上。以這種方式，通過在管結(jié)構(gòu)14的 制造期間適當(dāng)?shù)剡x擇加固橋50和更柔性的彈簧52的尺寸和定位，能夠修改管結(jié)構(gòu)14的共 振頻率和/或模式，并且在管結(jié)構(gòu)14的制造期間，通過蝕刻能夠同時限定管結(jié)構(gòu)14、橋50 和彈簧52。在適當(dāng)?shù)臈l件下，可預(yù)見的是，加固橋50和彈簧52的位置可以與圖6所示的不 同，或者它們的位置被互換，或者可以只使用一個或多個橋50或者一個或多個彈簧52。圖8描繪了與圖1和圖6類似的橋類型實施例，但具有單個管部分14A，驅(qū)動元件 26和感測元件28都位于該單個管部分14A上。如之前參照圖3所示，圖8示出位于管部分 14A上的以獲得更精確的流體溫度讀數(shù)的溫度感測元件36。最后，圖9示出了用于限定管結(jié)構(gòu)22下表面中的端口 22的方法。為了圖示說明 目的，圖9只畫出了管部分14A-B中的一個。在限定管結(jié)構(gòu)14之前，熱氧化層56可生長在 管結(jié)構(gòu)14被制造的晶片結(jié)構(gòu)的暴露表面上，或者適合的膜通過化學(xué)氣相沉積等被另外地 沉積在管結(jié)構(gòu)14被制造的晶片結(jié)構(gòu)的暴露表面上。從圖9 (以及圖4和圖7)明顯看到，晶 片結(jié)構(gòu)的上表面上的氧化層56可被保留，隨后被用作電介質(zhì)層46，以使驅(qū)動元件26和感 測元件28A-C與管結(jié)構(gòu)14電絕緣。與圖8類似，圖9示出了位于管部分14A-B的電介質(zhì)層 46上以獲得管部分14A-B內(nèi)的流體的更精確溫度讀數(shù)的溫度感測元件36。通過等離子蝕刻、濕式蝕刻、研磨、噴砂工藝、超聲加工、深反應(yīng)粒子蝕刻(DRIE)、 激光加工和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它方法，能夠制造管部分14A-B的內(nèi)部通路20A-B和 外壁。在限定管結(jié)構(gòu)14的外壁之前，包括在任何期望的使管部分14A和14B的側(cè)壁變薄之 前，覆蓋晶片結(jié)構(gòu)下表面的氧化層56能夠被蝕刻以限定孔54，在這之后，用于驅(qū)動元件26 和感測元件28以及粘接合焊盤34的金屬可被沉積和圖案化。隨后施加抗蝕劑，蝕刻出管 結(jié)構(gòu)14的外壁。在剝除抗蝕劑之后，晶片結(jié)構(gòu)可以翻轉(zhuǎn)，通過使用下表面上的氧化層56作 為掩模從而在管部分14A和14B下表面中的期望的位置中蝕刻端口 22，從而在管結(jié)構(gòu)14的 下壁中蝕刻出端口 22。管結(jié)構(gòu)14的上表面和下表面上殘留的氧化層56可保留，以平衡任 何由氧化層56引起的應(yīng)力。盡管本發(fā)明通過一些實施例進(jìn)行了描述，但明顯的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可采用其 它形式。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限制。
1權(quán)利要求
一種MEMS裝置(10)，用于確定流體的至少一個特性，所述裝置(10)包括基底(12)；位于所述基底(12)上的第一基部(16，16A)；從所述第一基部(16，16A)延伸并且與所述基底(12)的表面(18)分隔開的管結(jié)構(gòu)(14)，所述管結(jié)構(gòu)(14)包括基本位于一個平面上的至少一對幾何上平行的管部分(14A，14B)，被限定為至少部分地位于所述平行的管部分(14A，14B)內(nèi)的至少一個連續(xù)的內(nèi)部通路(20，20A B)，以及流體連接到所述第一基部(16，16A)的所述內(nèi)部通路(20，20A B)的入口和出口(22)，所述管結(jié)構(gòu)(14)被配置為在所述管結(jié)構(gòu)(14)的所述平面中進(jìn)行振動運動；至少一個驅(qū)動元件(26，48)，所述至少一個驅(qū)動元件(26，48)與所述管結(jié)構(gòu)(14)接近，并且可操作以引起所述管結(jié)構(gòu)(14)在所述管結(jié)構(gòu)(14)的所述平面內(nèi)的振動運動，并且在所述管部分(14A，14B)中引起共振的振動運動；和至少一個感測元件(28A C)，所述至少一個感測元件(28A C)與所述管結(jié)構(gòu)(14)接近，并且適于當(dāng)所述管結(jié)構(gòu)(14)被采用所述至少一個驅(qū)動元件(26，48)振動時，感測各個所述管部分(14A，14B)的偏斜。
2.如權(quán)利要求1所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述管結(jié)構(gòu)(14)被配置為使得 所述管結(jié)構(gòu)(14)的所述振動運動平行于所述基底(12)的所述表面(18)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述管部分(14A，14B)的所 述共振的振動運動在所述管結(jié)構(gòu)(14)的所述平面內(nèi)，并且彼此為約180度異相。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述管結(jié)構(gòu)(14) 被包圍在封裝(42)中。
5.如權(quán)利要求4所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述封裝(42)被氣密性地密封。
6.如權(quán)利要求5所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述封裝(42)被排空。
7.如權(quán)利要求4至6中任一項所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個驅(qū)動 元件(26，48)被磁性地或電磁性地聯(lián)接到位于所述封裝(42)外部的磁場源(38)。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述管結(jié)構(gòu)(14) 包括從由硅、摻雜硅和其它半導(dǎo)體材料、金剛石、鈦和其它金屬材料、電介質(zhì)材料、玻璃、以 及碳化硅和其它陶瓷所組成的組中選擇的材料。
9.如權(quán)利要求1至8任一項所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個驅(qū)動元 件(26，48)被靜電地聯(lián)接到所述平行的管部分(14A，14B)，用于引起所述管結(jié)構(gòu)(14)的所 述振動運動。
10.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個驅(qū) 動元件(26，48)包括由壓電材料形成的壓電元件，用于引起所述管結(jié)構(gòu)(14)的所述振動運動。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個感 測元件(28)包括由壓電材料形成的壓電元件，用于感測所述管結(jié)構(gòu)(14)的所述振動運動。
12.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個驅(qū) 動元件(26，48)被物理地附接到所述平行的管部分(14A，14B)，并且被電磁性地聯(lián)接到磁 場源(38)，用于引起所述管結(jié)構(gòu)(14)的所述振動運動。
13.如權(quán)利要求12所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個驅(qū)動元件(26， 48)選自由導(dǎo)電布線(26)、電路上的導(dǎo)電布線、和磁性膜(48)組成的組，并且所述磁場源 (38)選自由永磁體和電磁體組成的組中。
14.如權(quán)利要求1至13中任一項所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個驅(qū) 動元件(26，48)和所述至少一個感測元件(28A-C)中的至少一個監(jiān)測流動通過所述管結(jié)構(gòu) (14)的流體的溫度。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，進(jìn)一步包括位 于所述管結(jié)構(gòu)(14)上用于監(jiān)測流動通過所述管結(jié)構(gòu)(14)的流體的溫度的溫度感測元件 (36)。
16.如權(quán)利要求1所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述管結(jié)構(gòu)(14)包括相對于所 述第一基部(16，16A)的遠(yuǎn)端部分(14C)，所述遠(yuǎn)端部分(14C)被錨接到所述基底(12)上的 第二基部(16B)，使得所述管結(jié)構(gòu)(14)被支撐在所述管結(jié)構(gòu)(14)的相對設(shè)置的端部處并離 開所述基底(12)。
17.如權(quán)利要求16所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述平行的管部分(14A，14B) 彼此在流體上是并聯(lián)的，所述平行的管部分(14A，14B)中的每一個在其一端處被流體連接 到所述入口(22)，并且所述平行的管部分(14A，14B)中的每一個在其相對設(shè)置的第二端處 被流體連接到所述出口(22)。
18.如權(quán)利要求17所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個驅(qū)動元件(26， 48)和所述至少一個感測元件(28A-C)中的至少一個設(shè)置在位于所述平行的管部分(14A， 14B)之間的平臺(24)上。
19.如權(quán)利要求17所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個驅(qū)動元件(26， 48)設(shè)置在位于所述平行的管部分(14A，14B)之間的平臺(24)上。
20.如權(quán)利要求16所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述平行的管部分(14A，14B) 在流體上彼此串聯(lián)，以限定所述連續(xù)的內(nèi)部通路(20，20A-B)，所述平行的管部分(14A， 14B)中的第一管部分(14A)在其一端處被流體連接到所述入口(22)，并且所述第一管部分 (14A)在其相對設(shè)置的第二端處被流體連接到所述平行的管部分(14A，14B)的第二管部分 (14B)，所述平行的管部分(14A，14B)的所述第二管部分(14B)在其一端處被流體連接到所 述出口(22)，所述第二管部分(14B)在其相對設(shè)置的第二端處被流體地連接到所述平行的 管部分(14A，14B)的所述第一管部分(14A)。
21.如權(quán)利要求20所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個感測元件 (28A-C)中的至少一部分設(shè)置在所述平行的管部分(14A，14B)上。
22.如權(quán)利要求20所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個感測元件 (28A-C)中的至少一部分設(shè)置在圍繞所述管結(jié)構(gòu)(14)的框架(30)上。
23.如權(quán)利要求20所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個驅(qū)動元件(26， 48)被物理地附接到所述平行的管部分(14A，14B)并且被電磁性地聯(lián)接到磁場源(38)。
24.如權(quán)利要求20所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述平行的管部分(14A，14B) 被位于它們之間的單個間隙(32A)彼此分隔開。
25.如權(quán)利要求1所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述管結(jié)構(gòu)(14)包括相對于所 述第一基部(16，16A)的遠(yuǎn)端部分(14C)，并且所述管結(jié)構(gòu)(14)被懸掛為使得所述遠(yuǎn)端部分(14C)懸空離開所述基底(12)，并且能夠相對于所述基底(12)進(jìn)行振動運動。
26.如權(quán)利要求25所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述平行的管部分(14A，14B) 在流體上彼此串聯(lián)，以限定所述連續(xù)的內(nèi)部通路(20，20A-B)，所述平行的管部分(14A， 14B)中的第一管部分(14A)在其一端處被流體連接到所述入口(22)，所述第一管部分 (14A)在其相對設(shè)置的第二端處被流體連接到所述平行的管部分(14A，14B)的第二管部分 (14B)，所述平行的管部分(14A，14B)的所述第二管部分(14B)在其一端處被流體連接到所 述出口(22)，所述第二管部分(14B)在其相對設(shè)置的第二端處被流體連接到所述平行的管 部分(14A，14B)的所述第一管部分(14A)。
27.如權(quán)利要求26所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個驅(qū)動元件(26， 48)被物理地附接到所述平行的管部分(14A，14B)，并且被電磁性地聯(lián)接到磁場源(38)。
28.如權(quán)利要求26所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個感測元件 (28A-C)中的至少一部分設(shè)置在位于所述平行的管部分(14A，14B)之間的平臺(24)上，被 錨接到所述第一基部(16，16A)，并且被錨接到所述管結(jié)構(gòu)(14)的所述遠(yuǎn)端部分(14C)。
29.如權(quán)利要求28所述的MEMS裝置(10)，其特征在于，所述至少一個感測元件 (28A-C)中的至少一部分設(shè)置在所述平行的管部分(14A，14B)上。
30.一種MEMS裝置(10)，用于確定流體的至少一個特性，所述裝置(10)包括基底(12)；位于所述基底(12)上的基部(16)，所述基部(16)包括由所述基底(12)的表面(18) 分開的第一和第二部分(16A，16B)；與所述基部(16A)的所述第一和第二部分(16A，16B)互連并且與所述基底(12)的所 述表面(18)分隔開的管結(jié)構(gòu)(14)，所述管結(jié)構(gòu)(14)包括至少一個管部分(14A，14B)， 被限定為至少部分地位于所述至少一個管部分(14A，14B)內(nèi)的至少一個連續(xù)的內(nèi)部通路 (20，20A-B)，和分別與所述基部(16)的所述第一和第二部分(16A，16B)流體連接的所述內(nèi) 部通路(20，20A-B)的入口和出口(22)，所述管結(jié)構(gòu)(14)被配置為用于在與所述基底(12) 的所述表面(18)平行的平面中進(jìn)行振動運動；至少一個驅(qū)動元件(26，48)，所述至少一個驅(qū)動元件(26，48)位于所述至少一個管部 分(14A，14B)上，并且可操作以引起所述管結(jié)構(gòu)(14)在所述管結(jié)構(gòu)(14)的所述平面內(nèi)的 振動運動，并且在所述管部分(14A，14B)中引起共振的振動運動；和至少一個感測元件(28A-C)，所述至少一個感測元件(28A-C)位于所述至少一個管部 分(14A，14B)上，并且適于當(dāng)所述管結(jié)構(gòu)(14)被采用所述至少一個驅(qū)動元件(26，48)振動 時感測所述至少一個管部分(14A，14B)的偏斜。
31.一種操作如權(quán)利要求1所述的MEMS裝置(10)以感測流體的至少一個特性的方法， 所述方法包括操作所述至少一個驅(qū)動元件(26，48)，以便當(dāng)所述流體流動通過所述管結(jié)構(gòu)(14)內(nèi)的 所述內(nèi)部通路(20，20A-B)時引起所述管結(jié)構(gòu)(14)的振動運動，使得所述管結(jié)構(gòu)(14)的振 動運動平行于所述管結(jié)構(gòu)(14)的所述平面，并且所述管部分(14A，14B)以彼此大約180度 異相來進(jìn)行共振；操作所述至少一個感測元件(28A-C)，以感測所述管部分(14A，14B)的偏斜；產(chǎn)生對應(yīng)于所述感測到的偏斜的輸出；和從所述輸出確定所述流體的所述至少一個特性。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，所述至少一個驅(qū)動元件(26，48)靜電地、 磁性地、電磁地、壓阻地、壓電地、熱地或者光學(xué)地引起所述管結(jié)構(gòu)(14)的振動運動和所述 管部分(14A，14B)的共振的振動運動。
33.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，所述至少一個驅(qū)動元件(26，48)包括位于 所述管結(jié)構(gòu)(14)上的磁性膜(48)，并且被電磁地聯(lián)接到磁場源(38)。
34.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，所述至少一個感測元件(28A-C)靜電地、 磁性地、電磁地、壓阻地、熱地或者光學(xué)地感測所述管結(jié)構(gòu)(14)的共振的振動運動和所述 管部分(14A，14B)的共振的振動運動。
35.如權(quán)利要求31至34中任一項所述的方法，其特征在于，所述流體的所述至少一個 特性選自由流體的質(zhì)量流率、密度、比重、體積流率、化學(xué)濃度、粘度和潤滑性組成的組。
36.一種制造如權(quán)利要求1所述的MEMS裝置(10)的方法，所述方法包括在所述管結(jié)構(gòu)(14)中形成內(nèi)部通路(20，20A-B)；然后通過在所述管結(jié)構(gòu)(14)上的掩模(56)中的開口(54)，蝕刻所述管結(jié)構(gòu)(14)，從而形 成所述管結(jié)構(gòu)(14)的所述入口和出口(22)。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述掩模(56)為氧化層。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述掩模(56)為電介質(zhì)材料，所述方法進(jìn) 一步包括步驟在所述管結(jié)構(gòu)(14)上形成掩模(56)，然后在所述掩模(56)的一部分(46) 上形成所述至少一個驅(qū)動元件(26，48)和所述至少一個感測元件(28A-C)，以便與所述管 結(jié)構(gòu)(14)電絕緣。
全文摘要
一種微機電系統(tǒng)MEMS裝置和用于操作該裝置以確定流體的至少一個特性的方法。該裝置包括位于基底上的基部和從該基部延伸并與基底的表面分隔開的管結(jié)構(gòu)。管結(jié)構(gòu)包括至少一個管部分，更優(yōu)選地，基本位于一個平面上的至少一對平行的管部分；被限定為至少部分地在所述平行的管部分內(nèi)的至少一個連續(xù)的內(nèi)部通路；和被流體連接到所述基部的內(nèi)部通路的入口和出口。驅(qū)動元件可操作，以在管結(jié)構(gòu)的平面中引起該管結(jié)構(gòu)的振動運動，并且在管部分中引起共振的振動運動。感測元件在管結(jié)構(gòu)被采用驅(qū)動元件振動時對管部分的偏斜進(jìn)行感測。
文檔編號B81B1/00GK101952193SQ200980104802
公開日2011年1月19日 申請日期2009年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月11日
發(fā)明者D·R·斯帕克斯, M·W·普蒂, N·納賈菲, R·T·史密斯 申請人:集成感應(yīng)系統(tǒng)公司