CN101343033A - 薄膜性能测试用微型弹簧力学传感器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种测试技术领域的薄膜性能测试用微型弹簧力学传感器的制作方法，步骤：玻璃片上，溅射金属Ti层，并作氧化处理，在溅射、氧化处理的玻璃片上，进行甩负性光刻胶、前烘、显影，根据掩模版设计的微型弹簧力学传感器形状，实现其光刻胶结构的图形化；在处理好氧化钛层上，电铸出Ni弹簧层；将微型弹簧力学传感器进行平坦化加工；在Ni电镀层上，采用电沉积技术进行对准标记和位移标记的沉积；去负胶、去残留玻璃、Ti溅射层后，最终得到微型弹簧力学传感器。本发明制备的微型弹簧力学传感器线性度好，工艺简单，分辨率高，成本低，而且易于和薄膜力学性能测试系统集成。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种测试技术领域的传感装置的制作方法，具体地说，是一种薄膜性能测试用微型弹簧力学传感器的制作方法。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，各种薄膜材料广泛应用在各种微器件中。这些薄膜材料的力学性能对MEMS器件的可靠性设计非常重要，所以测试微米尺度薄膜材料的力学性能非常重要。微尺度环境下的拉伸测试实验的难点之一就是微小力的施加与测量。因为在薄膜测试系统中，通常拉力在毫牛级，甚至微牛级。所以如何精确控制拉力是决定实验结果正确与否的关键因素。目前商用拉力传感器最小量程约在200毫牛，分辨率约为1毫牛，但是对于力传感器如何与薄膜测试系统集成，是目前商用拉力传感器的难点，其价格也十分昂贵。而且，对于要求更为精确的微牛级拉力传感器，分辨率尚无法满足要求。微弹簧是一种非常重要且典型的微机电系统器件，是微传感器、微执行器和微陀螺仪等的重要组成部分，它不仅可为其提供弹性力，而且能够传递能量。即微弹簧的性能对其它器件能否按照设计要求正确发挥作用起着至关重要的作用。近年来，利用弹簧作为微型传感器的结构部件常见于各个领域中。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利号为02215264.4，授权号CN2524233Y，专利名称：微力传感器，其特点是由线切割技术加工出一块超薄的合金片作为悬臂梁，其长度为50～60毫米，宽度约为15～20毫米，厚度约为0.1～0.3毫米。一个非接触式距离测微元件作为敏感元件安装在悬臂梁下方(电容式、电感式或霍尔效应式)，当悬臂梁的自由端受被测力作用时，悬臂梁和敏感元件之间产生一个与被测力成正比的间隙变化量。这样就可以把位移的变化转化为电压信号，从而可以得出被测力与输出电压之间的关系。但是线切割精度的限制，悬臂量的尺寸难以做到微米级别。所以对于要求精度很高的测量情况，其仍然不能满足要求，而且在机械-电信号转换过程中，很难控制其线性度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种薄膜性能测试用微型弹簧力学传感器的制作方法，利用UV-LIGA(UV-紫外，LIGA德语Lithographie、Galvanoformung和Abformung的缩写，即光刻、电镀和压膜)技术，制备一种精度高、线性好、易于操作的微型弹簧力学传感器，经过精确标定，使其满足薄膜材料(如各种单质金属、合金和复合材料)的微拉伸测试要求。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括如下步骤：
第一步，在玻璃片基片上，溅射厚度为金属Ti层，并作氧化处理；
所述金属Ti层，其厚度为800～1000
第二步，在溅射、氧化处理的玻璃片基片上，依次进行甩负性光刻胶、前烘、切片、曝光、中烘、显影处理，根据掩模版设计的微型弹簧力学传感器形状，实现微型弹簧力学传感器光刻胶结构的图形化；
第三步，在图形化的导电层上，电镀出具有高深宽比(10∶1～30∶1)结构的Ni弹簧层；
第四步，以平面加工技术，将上述的Ni弹簧层进行平坦化加工；
根据微型弹簧力学传感器的整体设计要求，重复进行第二步到第四步操作，获得不同厚度、不同连接形式的微型弹簧力学传感器主体；
第五步，在微型弹簧力学传感器主体上，再依次进行甩负性光刻胶、前烘、切片、曝光、中烘、显影处理，根据掩模版设计的对准标记和位移标记的形状，实现电化学沉积，形成完整的微型弹簧力学传感器；
第六步，最后去负胶、去残留玻璃、Ti溅射层，得到具有高深宽比(最高为30∶1)、表面质量好的高精度(最高为0.1mN/μm)微型弹簧力学传感器。
所述微型弹簧力学传感器以蛇形或正弦形弹簧为传感载荷。
所述微型弹簧力学传感器端部形状选择鸭嘴形、针形或耙子形。
所述微型弹簧力学传感器的弹簧线宽50-200μm，厚度500-1500μm，匝数3-10匝，直梁长度300-1200μm，内径100-400μm。
所述微型弹簧力学传感器的弹性系数为(0.1-2000mN/μm)。
本发明制备出的微型弹簧力学传感器经过精确测量装置进行标定，便可得到其弹性系数。这样在薄膜力学性能测试系统中，只要通过精确微型弹簧力学传感器上的位移标记测量出拉伸过程中的位移，通过虎克定律F＝kX就可以得到微小的拉力。
本发明借助UV-LIGA技术和负性光刻胶的优势，一次光刻可以加工厚度500μm、线宽50μm的高深宽比微弹簧结构，同时，通过改变掩模版的设计，可以丰富微弹簧的结构形式，获得高分辨率、弹性系数可变调控的微型弹簧力学传感器。本发明工艺简单、成本低，而且制备的微型弹簧力学传感器线性度好、分辨率高、易于集成、使用寿命较长，并可以根据要求调整弹簧的参数，制备不同分辨率的微型弹簧拉力力学传感器。
附图说明
图1是本发明制备的鸭嘴形微型弹簧力学传感器结构示意图；
图2是本发明制备的针形微型弹簧力学传感器结构示意图；
图3是本发明制备的耙子形微型弹簧力学传感器结构示意图；
上述图中：鸭嘴形拉伸头1、对中标记2、位移标记3、Ni弹簧层4和固定孔5、针形拉伸头6、耙子形拉伸头7。
图4是本发明工艺流程图；
其中：4a为溅射Ti；4b氧化处理Ti层后形成TiO2；4c为光刻胶图形化微型弹簧力学传感器；4d为电镀出微型弹簧力学传感器；4e为电镀出对中标记和位移标记；4f为去胶、去种子层，释放出微型弹簧力学传感器；
图中：基片8，Ti种子层9，TiO2层10，光刻胶11，镍镀层12，标记13。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例1是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：
(1)在3英寸的玻璃片上，溅射1000
金属钛(图4a)，并在65℃温度下，在2％NaOH和1％H2O2的混合溶液中氧化处理3分钟，形成均匀、致密的黑色氧化钛薄膜层(图4b)，以保证与光刻胶之间具有良好的结合力；
(2)接着在氧化钛薄膜层上甩SU-8-50型负性光刻胶(供应商：香港电子；SU-8-50是型号)，其后依次进行前烘、切片、曝光、中烘、显影处理，根据掩模版设计的微型弹簧力学传感器形状，实现其光刻胶结构的图形化(图4c)；
(3)利用叠层电镀技术，在处理好的氧化钛层上，在50℃、pH4.0的条件下，以20μm/h的沉积速率电铸出图1中鸭嘴形拉伸头1，图1、图2和图3中500μm Ni弹簧层4和固定孔5(图4d)；
(4)将微型弹簧力学传感器的表面进行磨削、抛光处理，磨去凸凹不平的Ni金属层，进行图1、图2中对中标记2和位移标记3，或图3中位移标记3的图形化；
(5)在50℃、pH4.0的条件下，以20μm/h的沉积速率沉积出约5μm的镍对中标记和500μm的T型位移标记(图4e)；
(6)将上述工艺制备的微型弹簧力学传感器进行去负胶、去残留玻璃、Ti溅射层后，最终得到高深宽比(10∶1)、高分辨率(弹性系数0.1mN/μm)的微型弹簧力学传感器(图4f)。其弹簧线宽为50μm，厚度为500μm，匝数为10匝，直梁长度为1200μm，内径为400μm。
实施例2
本实施例2是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：
(1)在4英寸的玻璃片上，溅射800
金属钛(图4a)，接着重复如实施例1中(1)步骤的氧化处理(图4b)；
(2)按照实施例1中步骤(2)，获得微型弹簧力学传感器阵列光刻胶结构的图形化(图4c)；
(3)按照实施例1中步骤(3)的方法，电铸出图1、图3中1000μm Ni弹簧层4和固定孔5，或者图2中1000μm Ni弹簧层4、固定孔5及针形拉伸头6；
(4)按照实施例1中步骤(4)的方法，将微型弹簧力学传感器的表面面进行磨削、抛光处理，进行图1、图2中对中标记2和位移标记3，或图3中位移标记3的图形化；
(5)按照实施例1中步骤(5)的方法，然电镀出厚约5μm的镍对中标记和约500μm的镍T型位移标记(图4e)；
(6)按照实施例1中步骤(6)的方法，得到高深宽比(20∶1)、高分辨率(弹性系数为5.5mN/μm)的微型弹簧力学传感器(图4f)。其弹簧线宽50为μm，厚度为1000μm，匝数为7匝，直梁长度为700μm，内径为250μm。
实施例3
本实施例3是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：
(1)在6英寸的玻璃片上，溅射900
金属钛(图4a)，然后重复实施例1中步骤(1)的氧化处理(图4b)；
(2)按照实施例1步骤(2)的方法，得到掩模版设计的微型弹簧力学传感器结构的图形化(图4c)；
(3)按照实施例1中步骤(3)的方法，电铸出图1和图2中1500μm Ni弹簧层4和固定孔5，或者图3中1500μm Ni弹簧层4、固定孔5和耙子形拉伸头7；
(4)按照实施例1中步骤(4)的方法，将微型弹簧力学传感器的表面面进行磨削、抛光处理，进行图1、图2中对中标记2和位移标记3，或图3中位移标记3的图形化；
(5)按照实施例1中步骤(5)的方法，沉积出约厚约5μm的镍对中标记和500μm的T型位移标记(图4e)；
(6)按照实施例1中步骤(6)的方法，得到高深宽比(30∶1)、高分辨率(弹性系数为2000mN/μm)的微型弹簧力学传感器(图4f)。其弹簧线宽为50μm，厚度为1500μm，匝数3匝，直梁长度为300μm，内径为100μm。
本发明制备的微型弹簧力学传感器与现有的力学传感器相比，工艺简单，线性度好，分辨率高，成本低，而且易于和薄膜力学性能测试系统集成。
Claims (6)
1.一种薄膜性能测试用微型弹簧力学传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，在玻璃片基片上，溅射金属Ti层，并作氧化处理；
第二步，在溅射、氧化处理的玻璃片基片上，依次进行甩负性光刻胶、前烘、切片、曝光、中烘、显影处理，根据掩模版设计的微型弹簧力学传感器形状，实现微型弹簧力学传感器光刻胶结构的图形化；
第三步，在图形化的导电层上，电镀出具有10∶1～30∶1高深宽比结构的Ni弹簧层；
第四步，以平面加工技术，将上述的Ni弹簧层进行平坦化加工；
第五步，在微型弹簧力学传感器主体上，再依次进行甩负性光刻胶、前烘、切片、曝光、中烘、显影处理，根据掩模版设计的对准标记和位移标记的形状，实现电化学沉积，形成完整的微型弹簧力学传感器；
第六步，最后去负胶、去残留玻璃、Ti溅射层，得到微型弹簧力学传感器。
2.根据权利要求1所述的薄膜性能测试用微型弹簧力学传感器的制作方法，其特征是，第一步中，所述金属Ti层，其厚度为100纳米。
3.根据权利要求1所述的薄膜性能测试用微型弹簧力学传感器的制作方法，其特征是，所述微型弹簧力学传感器以蛇形或正弦形弹簧为传感载荷。
4.根据权利要求1或3所述的薄膜性能测试用微型弹簧力学传感器的制作方法，其特征是，所述微型弹簧力学传感器端部形状为鸭嘴形、针形、耙子形中一种。
5.根据权利要求1或3所述的薄膜性能测试用微型弹簧力学传感器的制作方法，其特征是，所述微型弹簧力学传感器的弹簧线宽50-200μm，厚度500-1500μm，匝数3-10匝，直梁长度300-1200μm，内径100-400μm。
6.根据权利要求1或3所述的薄膜性能测试用微型弹簧力学传感器的制作方法，其特征是，所述微型弹簧力学传感器的弹性系数为0.1-2000mN/μm。
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