CN102589760B - 一种微型电容式力学传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微型电容式力学传感器及其制备方法，属于微机电系统领域。该微型电容式力学传感器包括衬底、导电支撑柱、固定电极、固态介电层、可动电极和弹性导电支撑结构。固定电极和导电支撑柱固置于衬底上，固态介电层设置于固定电极上，可动电极通过导电支撑柱的支撑保持悬空，固态介电层与可动电极之间的悬空区域形成空气介电层。本发明采用固态介电层与空气介电层复合的双介电层结构，可以通过调节微型电容值的变化范围，适用于不同领域的测量，具有灵敏度高，动态性能好，能量损耗小，制备成本低的特点，并且能够适应较为恶劣的环境。

Description

一种微型电容式力学传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微机电系统领域，具体的说，涉及一种用于微力测量的微型电容式力学传感器及其制备方法。
背景技术
力学传感器是将各种力学量转换为电信号的器件，广泛应用于机械、化工、交通、国防等领域。而且随着传感器技术的快速发展，具有体积小、重量轻、功耗低和可靠性高等优越性能的微型传感器在航空航天、兵器工业和微机械组装等方面开始大量应用。电容式力学传感器具有结构简单、灵敏度高、测量范围大、动态响应快和稳定性好等一系列优点，是一种很有发展前途的传感器。
近些年来，随着微纳米技术和生物技术的迅速发展，微尺度环境下的微小力测量越来越受到重视，而基于微机电系统技术制备的微型力学传感器作为一种重要的测试工具，在微型机器人、微装配系统、微型摩擦学、生物力学研究和新型医疗器械等方面开始越来越广泛的应用。微力传感器按工作原理主要可以分为压阻式、压电式和电容式。目前利用硅体加工制备的压阻式传感器是具有代表性的微型力学传感器，其特点是频率响应高、精度高、灵敏度高和可靠性好等，缺点是受温度影响较大、工艺复杂、成本较高。而压电式微型力学传感器工艺中的功能薄膜主要受半导体工艺所限，制备工艺相对较为复杂。而电容式微型力学传感器具有输入能量小、灵敏度高、电参量相对变化大、动态性能好和稳定性好等优点，在一些环境要求较高的领域和部分医用器械领域有很大的应用潜力。
专利公开号CN1550783A的发明专利提出了基于硅基底的电容式力学量传感器，该专利制备工艺相对较为粗糙，不能实现高精度测试，而且没有防止过载保护功能。
发明内容
针对现有技术中存在的诸多问题，本发明基于微机电系统技术，提供了一种微型电容式力学传感器及其制备方法；该微型电容式力学传感器具有双介电层结构，增加了灵敏度，提高了测试精度，还可以通过双介电层实现过载保护；并且该微型电容式力学传感器制备工艺简单，成本低廉，适于大规模制造。
为了实现上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种微型电容式力学传感器，包括衬底、固定电极、固态介质层和可动电极，所述固定电极固定设置于衬底上，所述固态介质层叠设在固定电极上，所述可动电极经弹性导电支撑结构平行悬设于固态介质层上方，且固态介电层与可动电极之间的悬空区域形成空气介电层。
进一步的，该微型电容式力学传感器还包括分布于固定电极两侧的导电支撑柱，所述的弹性导电支撑结构为柔性导电支撑梁，可动电极的两端分别经柔性导电支撑梁与导电支撑柱的上部连接，并呈现悬空状态，所述导电支撑柱下端固定在衬底上。
所述衬底为玻璃或石英，厚度为1-5厘米。
所述的固定电极、可动电极、导电支撑柱以及柔性导电支撑梁的材料优选为金属材料；
进一步的，所述的固定电极、可动电极、导电支撑柱以及柔性导电支撑梁的材料尤其优选采用金属镍。
所述的固态介电层采用可蒸镀或溅射的介电材料，优选使用Al2O3、SiO2或BaTiO3中的任意一种；固态介电层的厚度为0.1-2微米。
如上所述的微型电容式力学传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
Ⅰ、在清洗好的衬底上溅射金属种子层；
所述金属种子层的材料为Cr/Cu或Cr/Au，厚度为800～1000Å；
Ⅱ、应用光刻工艺在金属种子层上实现固定电极和导电支撑柱的光刻胶结构图形化；
Ⅲ、使用电镀工艺在光刻胶结构图形化后的金属种子层上形成固定电极和导电支撑柱；
Ⅳ、应用光刻工艺在固定电极上，实现固态介电层的光刻胶结构图形化；
Ⅴ、在光刻胶结构图形化后的固定电极上，应用金属溅射工艺形成固态介电层；所述的固态介电层的厚度为0.1-2微米；所述的固态介电层的材料为可蒸镀或溅射的介电材料，包括Al2O3、SiO2或BaTiO3中的任意一种；
Ⅵ、在溅射完成固态介电层的衬底上，涂覆厚度为5-20微米正性光刻胶；
Ⅶ、步骤Ⅵ所涂覆的光刻胶经过前烘固化之后，再重复步骤A的工艺，在光刻胶上溅射金属种子层；
Ⅷ、应用光刻工艺在金属种子层上实现可动电极和柔性导电支撑梁的光刻胶结构图形化；
Ⅸ、在图形化后的金属种子层上，使用电镀工艺形成可动电极和柔性导电支撑梁；
Ⅹ、采用湿法腐蚀工艺去除前述步骤中的光刻胶和金属种子层，释放出悬空结构，得到目标产物。
如上所述的衬底为玻璃或石英，厚度为1-5厘米。
所述的固定电极、可动电极、导电支撑柱以及柔性导电支撑梁的材料优选为金属镍。
所述的固态介电层采用可蒸镀或溅射的介电材料，优选使用Al2O3、SiO2或BaTiO3中的任意一种；固态介电层的厚度为0.1-2微米。
与现有技术相比，本发明的优点至少在于：
（1）该用于微力测量的微型电容式力学传感器采用了固态介电层与空气介电层复合的双介电层结构，可以通过调节微型电容值的变化范围，适用于不同领域的测量，不仅灵敏度和测试精度高，动态性能好，能量损耗小，而且可以防止微电容在测量过程中因过载产生的短路；
（2）相对于硅衬底制备的压阻式微型力学传感器或功能薄膜的压电式传感器，该用于微力测量的微型电容式力学传感器可以玻璃或石英作为衬底制备成本更为低廉，能够适应较为恶劣的环境，并且制备工艺亦非常简单，适于规模化生产。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例中的一种微型电容式力学传感器的结构示意图；
图中各附图标记的含义为：1~衬底，2~固定电极，3~可动电极，4~固态介电层，5~导电支撑柱，6~柔性导电支撑梁。
具体实施方式
以下结合一较佳实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
参阅图1，该微型电容式力学传感器包括衬底1、固定电极2、固态介质层4和可动电极3，所述固定电极2固定设置于衬底1上，所述固态介质层4叠设在固定电极2上，所述可动电极3经柔性导电支撑梁6平行悬设于固态介质层4上方，且固态介电层4与可动电极3之间的悬空区域形成空气介电层。
进一步的，该微型电容式力学传感器还包括分布于固态电极2两侧的导电支撑柱5，所述可动电极3的两端分别经柔性导电支撑梁6与导电支撑柱5的上部连接，并呈现悬空状态，所述导电支撑柱5下端固定在衬底1上。
所述衬底1为玻璃或石英，厚度为1-5厘米。
所述的固定电极2、可动电极3、导电支撑柱5以及柔性导电支撑梁6的材料优选为金属材料；
进一步的，所述的固定电极2、可动电极3、导电支撑柱5以及柔性导电支撑梁6的材料尤其优选采用金属镍。
所述的固态介电层4采用可蒸镀或溅射的介电材料，优选使用Al2O3、SiO2或BaTiO3中的任意一种；固态介电层4的厚度为0.1-2微米。
该微型电容式力学传感器的制作方法具体包括以下步骤：
Ⅰ、在清洗好的衬底1上溅射金属种子层；所述的衬底为玻璃或石英，厚度为1-5厘米；所述金属种子层的材料为Cr/Cu或Cr/Au，厚度为800～1000Å；
Ⅱ、应用光刻工艺在金属种子层上实现固定电极2和导电支撑柱5的光刻胶结构图形化；
Ⅲ、使用电镀工艺在光刻胶结构图形化后的金属种子层上形成固定电极2和导电支撑柱5；所述的固定电极和导电支撑柱的材料优选为金属镍。
Ⅳ、应用光刻工艺在固定电极2上，实现固态介电层4的光刻胶结构图形化；
Ⅴ、在光刻胶结构图形化后的固定电极2上，应用金属溅射工艺形成固态介电层4；所述的固态介电层的厚度为0.1-2微米；所述的固态介电层的材料为可蒸镀或溅射的介电材料，包括Al2O3、SiO2或BaTiO3中的任意一种；
Ⅵ、在溅射完成固态介电层4的衬底上，涂覆厚度为5-20微米正性光刻胶；
Ⅶ、步骤Ⅵ所涂覆的光刻胶经过前烘固化之后，再重复步骤A的工艺，在光刻胶上溅射金属种子层；
Ⅷ、应用光刻工艺在金属种子层上实现可动电极3和柔性导电支撑梁6的光刻胶结构图形化；
Ⅸ、在图形化后的金属种子层上，使用电镀工艺形成可动电极3和柔性导电支撑梁6；所述的可动电极和柔性导电支撑梁的材料优选为金属镍。
Ⅹ、采用湿法腐蚀工艺去除前述步骤中的光刻胶和金属种子层，释放出悬空结构，得到目标产物。
本发明的电容式微型力学传感器是基于可变电容原理工作的，即：当微小力作用于电容的可动上极板时，由于可动电极由于采用柔性支撑，在外力作用下，会移动微小的距离，导致两个电容值发生变化，信号输入到信号电路中，输出值反映外力的大小。
本发明的微型电容式力学传感器因采用固态介电层与空气介电层复合的双介电层结构，具有灵敏度高，动态性能好，能量损耗小，制备成本低的特点，并且能够适应较为恶劣的环境。
需要一提的是：对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明技术方案和技术构思做出其它各种相应的改变和变形，而这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种微型电容式力学传感器的制作方法，其特征在于;它包括以下步骤：
Ⅰ、在清洗好的衬底上溅射金属种子层；
所述金属种子层的材料为Cr/Cu或Cr/Au，厚度为800～1000Å；
Ⅱ、应用光刻工艺在金属种子层上实现固定电极和导电支撑柱的光刻胶结构图形化；
Ⅲ、使用电镀工艺在光刻胶结构图形化后的金属种子层上形成固定电极和导电支撑柱；
Ⅳ、应用光刻工艺在固定电极上，实现固态介电层的光刻胶结构图形化；
Ⅴ、在光刻胶结构图形化后的固定电极上，应用金属溅射工艺形成固态介电层；所述的固态介电层的厚度为0.1-2微米；所述的固态介电层的材料为可蒸镀或溅射的介电材料，包括Al2O3、SiO2或BaTiO3中的任意一种；
Ⅵ、在溅射完成固态介电层的衬底上，涂覆厚度为5-20微米正性光刻胶；
Ⅶ、步骤Ⅵ所涂覆的光刻胶经过前烘固化之后，再重复步骤A的工艺，在光刻胶上溅射金属种子层；
Ⅷ、应用光刻工艺在金属种子层上实现可动电极和柔性导电支撑梁的光刻胶结构图形化；
Ⅸ、在图形化后的金属种子层上，使用电镀工艺形成可动电极和柔性导电支撑梁；
Ⅹ、采用湿法腐蚀工艺去除前述步骤中的光刻胶和金属种子层，释放出悬空结构，得到目标产物。
2.根据权利要求1所述的一种微型电容式力学传感器的制作方法，其特征在于：所述衬底为玻璃或石英，厚度为1-5厘米。
3.根据权利要求1所述的一种微型电容式力学传感器的制作方法，其特征在于：所述的固定电极、可动电极、导电支撑柱以及柔性导电支撑梁的材料优选为金属镍。
4.根据权利要求1所述的一种微型电容式力学传感器的制作方法，其特征在于：所述固态介电层的厚度为0.1-2微米，材料为Al2O3、SiO2或BaTiO3中的任意一种。
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Assignee: Suzhou Neng Sida Electronic Science and Technology Co., Ltd.

Assignor: Suzhou Institute of Nano-Tech and Bionics (SINANO), Chinese Academy of Sciences

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Denomination of invention: Minitype capacitance-type mechanical sensor and preparation method thereof

Granted publication date: 20140416

License type: Exclusive License

Record date: 20140704

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