CN102175361B - 一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器及其封装方法 - Google Patents
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Abstract
一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器及其封装方法，传感器包括配置在敏感芯片上的接触探针，敏感芯片的背面设置有玻璃基底，敏感芯片采用四个L型悬臂梁交叉支撑中心支撑膜，在悬臂梁上设置有12个压敏电阻，12个压敏电阻组成3组惠斯通电桥；接触探针与被测对象接触，将外界作用力传递到传感器探针的中心支撑膜上，并使传感器悬臂梁弯曲产生变化，压敏电阻检测应力的变化通过惠斯通电桥输出与加载力成正比的电压信号，完成外界接触力的测试；传感器的封装采用定位盖安装探针，保证了探针的垂直度，减小了传感器的系统误差及干扰误差；本发明具有体积小、成本低、分辨率高、稳定性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及先进制造及微力测量技术领域，特别涉及基于MEMS工艺的压阻式高灵敏度探针形式的一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器及其封装方法。
技术背景
随着微电子和MEMS技术的不断发展，半导体及体硅加工工艺的不断完善，基于MEMS技术的半导体传感器朝集成化和微型化的方向发展。MEMS微力传感器是微力测量及控制的基础及关键部件，被广泛应用于先进制造、医学、生物医学、海洋测量以及环境监测等领域，是国内外微力测量领域的研究焦点。目前开展的研究工作主要包括一维，二维、三维以及多维MEMS微力传感器的研制开发，其中大部分微力传感器只能测量微牛顿级力，而对亚微牛顿力的测量仅限于单维微力传感器及几种电容式、压电式三维微力传感器。电容式MEMS传感器加工工艺难度大，输出非线性，后续电路复杂，压电式传感器极易受到环境湿度及外界电磁的干扰，且两种传感器存在测量范围小的缺点，测量位移仅为微米甚至纳米级，工作环境受到了严重的限制。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器及其封装方法，该传感器基于压阻效应，采用四悬臂L梁支撑的集成化微探针结构，应用MEMS工艺制作，可以完成对亚微牛顿简单三维微力的测量，同时具有较高的测量灵敏度及较大的测量范围。
为了实现上述测试目的，本发明采用以下技术方案：
一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器，包括接触探针1，接触探针1配置在敏感芯片2上，敏感芯片2的背面设置有玻璃基底5，其特征在于，敏感芯片2采用四个L型悬臂梁3交叉支撑中心支撑膜4，同时在悬臂梁3上制作了12个压敏电阻，分别组成3组惠斯通电桥，其分布方式为：压敏电阻Rx1、压敏电阻Rz1与压敏电阻Rx2、压敏电阻Rz2分别分布在悬臂梁3-4的两端，压敏电阻Rx3、压敏电阻Rz3与压敏电阻Rx4、压敏电阻Rz4分别分布在悬臂梁3-1的两端，压敏电阻Ry1和压敏电阻Ry2分别分布在悬臂梁3-2的两端，压敏电阻Ry3和压敏电阻Ry4分别分布在悬臂梁3-3的两端，其电连接方式为：压敏电阻Rx1、压敏电阻Rx2串联后的电路与压敏电阻Rx3、压敏电阻Rx4串联后的电路并联；压敏电阻Ry1、压敏电阻Ry2串联后的电路与压敏电阻Ry3、压敏电阻Ry4串联后的电路并联；压敏电阻Rz1、压敏电阻Rz2串联后的电路与压敏电阻Rz3、压敏电阻Rz4串联后的电路并联。
所述的压敏电阻Rx1、压敏电阻Rx2与压敏电阻Rx4、压敏电阻Rx3相对称；压敏电阻Ry1、压敏电阻Ry2与压敏电阻Ry4、压敏电阻Ry3相对称；压敏电阻Rz1、压敏电阻Rz2与压敏电阻Rz3、压敏电阻Rz4相对称。
所述的接触探针1采用阶梯式圆柱结构。
所述的压敏电阻采用U形结构。
接触探针1采用钛合金。
一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器的封装方法，包括以下步骤：
步骤一：传感器输出电路板包含PCB板7和底板8两部分，在PCB板7上加工有焊盘，平均分列PCB板7的两侧，每侧的外边缘是大焊盘9，内边缘是小焊盘10，大焊盘9与外部电源及输出电路连接，同时在PCB板7的几何中心设置有方孔6；
步骤二、设计一个探针定位盖12，并在探针定位盖12的中心开有一个定位孔11；将传感器的敏感芯片2固定在PCB板7的方孔6中，将敏感芯片2与PCB板7上的小焊盘10连接；
步骤三、探针定位盖12将PCB板7罩住，将接触探针1通过探针定位盖12中心的定位孔11固定在敏感芯片2的中心支撑膜4上，取下探针定位盖12完成本发明传感器的封装。
本发明的优点主要表现在：传感器采用基于压阻效应的探针形式，有效增大了传感器的测量范围，使其测量位移达到了毫米级；悬臂梁采用“L”结构有效提高了传感器的灵敏度与分辨率，使其可以测量亚微牛顿力；传感器的接触探针1采用钛合金材料加工，减小了探针的质量，提高了探针的刚度，保证的力的传递效率，降低了传感器的零位输出；传感器的封装采用定位盖安装探针，保证了接触探针的垂直度，减小了传感器的系统误差及干扰误差。本发明具有体积小、成本低、分辨率高、稳定性高等优点，可广泛用于微力测量与物体表面形貌的精确表征等领域。
附图说明
图1为本发明的传感器结构示意图。
图2为悬臂梁3上压敏电阻的分布图。
图3为L型悬臂梁受力变形示意图，其中图3(1)为接触探针1受到X或Y方向作用力时，悬臂梁a、悬臂梁b的受力变形状态，图3(2)为接触探针1受到Z方向作用力时，悬臂梁a、悬臂梁b的受力变形状态。
图4为L型悬臂梁的受力变形应力分布图，其中图(1)为接触探针1受到X或Y方向作用力时，悬臂梁a、悬臂梁b的应力分布状态，(2)为接触探针1受到Z方向作用力时，悬臂梁a、悬臂梁b的应力分布状态。
图5为悬臂梁上12个U型压敏电阻三维输出惠斯通电桥示意图。
图6为本发明的封装结构示意图。
图7为探针定位盖12的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、工作原理及封装方法做详尽说明。
如图1所示，一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器，包括采用阶梯式圆柱结构接触探针1，传感器接触探针1是三维微力传感器与被测对象接触并传递力学信号的重要元件，是同被测对象直接接触的部分。接触探针为阶梯式圆柱结构分为3阶，总长1cm。探针固定端直径为900μm，长4mm；中间段直径为250μm，长4mm；第三段直径为125μm，长2mm；在探针顶端有一直径为150μm的接触球，保证传感器的精确度。接触探针1配置在敏感芯片2上，敏感芯片2的背面设置有玻璃基底5，玻璃基底5尺寸为4mm×4mm×500μm，利用阳离子键合技术与敏感芯片2背面键合在一起，保护传感器敏感芯片2。敏感芯片2采用四个L型悬臂梁3交叉支撑中心支撑膜4，敏感芯片2总体尺寸为：4mm×4mm×400μm，悬臂梁3尺寸为：1440μm×200μm×35μm，中心支撑膜4尺寸为1mm×1mm×35μm，选取4″N型(100)厚400um双面抛光的单晶硅片为加工材料，采用MEMS体硅工艺，背面腐蚀、正面刻蚀的方法完成加工。在悬臂梁3上设置有12个U型压敏电阻，12个U型压敏电阻组成3组惠斯通电桥，其分布方式如图2所示：X方向悬臂梁上的压敏电阻Rx1、压敏电阻Rx2、压敏电阻Rx3和压敏电阻Rx4四个压敏电阻组成惠斯通测量电桥测量X向作用力，Y向悬臂梁上的压敏电阻Ry1、压敏电阻Ry2、压敏电阻Ry3和压敏电阻Ry4四个压敏电阻组成惠斯通测量电桥测量Y向作用力，X方向悬臂梁上的压敏电阻Rz1、压敏电阻Rz2、压敏电阻Rz3和压敏电阻Rz4四个压敏电阻组成惠斯通测量电桥用来测量Z向左用力。压敏电阻应用离子注入技术加工，并采用U形结构，这样可以有效提高传感器的灵敏度。
如图2所示，12个U型压敏电阻，分别组成3组惠斯通电桥，其分布方式为：压敏电阻Rx1、压敏电阻Rz1与压敏电阻Rx2、压敏电阻Rz2分别分布在悬臂梁3-4的两端，压敏电阻Rx3、压敏电阻Rz3与压敏电阻Rx4、压敏电阻Rz4分别分布在悬臂梁3-1的两端，压敏电阻Ry1和压敏电阻Ry2分别分布在悬臂梁3-2的两端，压敏电阻Ry3和压敏电阻Ry4分别分布在悬臂梁3-3的两端。
如图5所示，三个惠斯通测量电桥电路的具体连接方式是：压敏电阻Rx1、压敏电阻Rx2串联后的电路与压敏电阻Rx3、压敏电阻Rx4串联后的电路并联，组成惠斯通测量电桥，测量X向上的作用力；压敏电阻Ry1、压敏电阻Ry2串联后的电路与压敏电阻Ry3、压敏电阻Ry4串联后的电路并联，组成惠斯通测量电桥，测量Y向上的作用力；压敏电阻Rz1、压敏电阻Rz2串联后的电路与压敏电阻Rz3、压敏电阻Rz4串联后的电路并联，组成惠斯通测量电桥，测量Z向上的作用力。
工作原理：三维微力传感器的接触探针1与被测对象接触，将外界作用力传递到传感器探针的中心支撑膜4上，并使传感器悬臂梁3弯曲，如图3所示，导致悬臂梁3的应力产生变化，如图4所示，最终位于悬臂梁3两端的压敏电阻检测应力的变化，并通过惠斯通电桥，如图5所示，输出与加载力成正比的电压信号，完成外界接触力的测试。本发明通过压敏电阻的如图2、图5所示的分布与组合将外部作用力转化并解耦为X、Y、Z方向的电信号，同时获得最大的灵敏度和最小的X、Y、Z各轴的交叉干扰。
本实施例的封装方法，包括以下步骤：
步骤一：传感器输出电路板包含PCB板7和底板8两部分，尺寸分别为23mm×15mm×1mm，40mm×30mm×1mm，在PCB板7上加工有24个焊盘，平均分列PCB板7的两侧，每侧的外边缘是6个大焊盘9，内边缘是6个小焊盘10，大焊盘9与外部电源及输出电路连接，同时在PCB板7的几何中心设置有一个4mm×4mm×1mm的方孔6，用于定位传感器；
步骤二、设计一个探针定位盖12，其内部尺寸为4mm×4mm×3mm，并在探针定位盖12的中心开有一个0.9mm定位孔11；将传感器的敏感芯片2通过环氧树脂胶固定在PCB板7的方孔6中，将敏感芯片2与PCB板7上的小焊盘10通过金丝球焊机连接；
步骤三、探针定位盖12将PCB板7罩住，将接触探针1通过探针定位盖12中心的定位孔11固定在敏感芯片2的中心支撑膜4上，取下探针定位盖12完成本发明传感器的封装。
本传感器应用压阻效应为基本工作原理，压阻效应是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。在先进制造领域中，压阻式信号转换方式具有工艺成熟、测量范围大、分辨率较高、后续处理电路简单、测量线性好的特点。
Claims (1)
1.一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器的封装方法，传感器包括接触探针(1)，接触探针(1)配置在敏感芯片(2)上，敏感芯片(2)的背面设置有玻璃基底(5)，敏感芯片(2)采用四个L型悬臂梁(3)交叉支撑中心支撑膜(4)，在悬臂梁(3)上设置有12个压敏电阻；12个压敏电阻组成3组惠斯通电桥，其分布方式为：压敏电阻Rx1、压敏电阻Rz1与压敏电阻Rx2、压敏电阻Rz2分别分布在第四悬臂梁(3-4)的两端，压敏电阻Rx3、压敏电阻Rz3与压敏电阻Rx4、压敏电阻Rz4分别分布在第一悬臂梁(3-1)的两端，压敏电阻Ry1和压敏电阻Ry2分别分布在第二悬臂梁(3-2)的两端，压敏电阻Ry3和压敏电阻Ry4分别分布在第三悬臂梁(3-3)的两端，其电连接方式为：压敏电阻Rx1、压敏电阻Rx2串联后的电路与压敏电阻Rx3、压敏电阻Rx4串联后的电路并联；压敏电阻Ry1、压敏电阻Ry2串联后的电路与压敏电阻Ry3、压敏电阻Ry4串联后的电路并联；压敏电阻Rz1、压敏电阻Rz2串联后的电路与压敏电阻Rz3、压敏电阻Rz4串联后的电路并联；其特征在于，传感器的封装方法包括以下步骤：
步骤一：传感器输出电路板包含PCB板(7)和底板(8)两部分，在PCB板(7)上加工有焊盘，平均分列PCB板(7)的两侧，每侧的外边缘是大焊盘(9)，内边缘是小焊盘(10)，大焊盘(9)与外部电源及输出电路连接，同时在PCB板(7)的几何中心设置有方孔(6)；
步骤二、设计一个探针定位盖(12)，并在探针定位盖(12)的中心开有一个定位孔(11)；将传感器的敏感芯片(2)固定在PCB板(7)的方孔(6)中，将敏感芯片(2)与PCB板(7)上的小焊盘(10)连接；
步骤三、探针定位盖(12)将PCB板(7)罩住，将接触探针(1)通过探针定位盖(12)中心的定位孔(11)固定在敏感芯片(2)的中心支撑膜(4)上，取下探针定位盖(12)完成传感器的封装。
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