CN105547125A - 一种微机械位移传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微机械位移传感器及其制造方法，该传感器包括衬底基板(1)、电阻线(2)、第一焊盘(21)和第二焊盘(22)、终端挡板(3)、第一固定壁(41)和第二固定壁(42)、接触电极(5)、滑块(6)、磁性材料(7)、磁体(8)、金属导线(9)和第三焊盘(91)；衬底基板(1)包括正面和与正面相对设置的背面；衬底基板(1)正面分为左右两个区域，左边区域设有第一焊盘(21)、第二焊盘(22)和第三焊盘(91)，还设有终端挡板(3)。本发明具有结构小巧、分辨率高，批量制造一致性好等特点。

Description

一种微机械位移传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种微机械位移传感器，是一种基于微机械加工技术制造的具有移动部件的位移传感器结构。
背景技术
位移传感器应用十分广泛，比如在需要建立和维护位置偏置与容差的工程应用中。位移传感器也称为线性传感器，它把位移量转换为电量，从而实现对位移量的测量。位移传感器分为电位器式、自感式、电容式、光栅式和霍尔效应等类型。电位器式位移传感器又分为绕线式电位器位移传感器和非绕线式电位器位移传感器。绕线式位移传感器存在摩擦和磨损、有阶梯误差、分辨率低和寿命短等缺点，同时在微小尺寸下电阻丝不易绕制在绝缘骨架中，增加了加工的难度。非绕线式电位器位移传感器是在绝缘基片上制成各种薄膜元件，分辨率较高、寿命长，耐磨且易校准，但传统的非绕线式电位器位移传感器体积较大。随着微加工工艺的发展，传统的电位器式位移传感器体积较大，采用微加工技术降低器件的尺寸是目前技术革新的努力方向。
发明内容：
技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种微机械位移传感器及其制造方法，具有结构小巧、分辨率高，批量制造一致性好等特点。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种微机械位移传感器，该传感器包括衬底基板、电阻线、第一焊盘和第二焊盘、终端挡板、第一固定壁和第二固定壁、接触电极、滑块、磁性材料、磁体、金属导线和第三焊盘；
衬底基板包括正面和与正面相对设置的背面；
衬底基板正面分为左右两个区域，
左边区域设有第一焊盘、第二焊盘和第三焊盘，还设有终端挡板；
右边区域设有滑块以及固定滑块的第一固定壁和第二固定壁；
滑块包括上边框、下边框和连接上边框和下边框的的连接框，上边框、下边框和连接框形成空间，且该空间开口朝向左边区域；第一固定壁和第二固定壁分别固定在上边框和下边框；磁性材料覆盖于滑块上边框、下边框和连接框的内表面；接触电极设置在滑块的空间内，且靠近开口处；
磁体放置在衬底基板的背面。
优选的，衬底基板表面微电绝缘，电阻线和金属导线为同种材料。
本发明还提供了一种微机械位移传感器的制造方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：选择绝缘体上的硅作为起始硅片，通过背面光刻和等离子干法刻蚀将底部刻浅槽；
步骤2：磁控溅射钛和金，并光刻形成接触电极；
步骤3：采用深反应离子刻蚀工艺对背面进行深槽刻蚀，一直到界面的氧化硅层停止；
步骤4：玻璃基板作为衬底基板，在表面溅射钛、铂和金，然后光刻形成电阻线、金属导线、及第一焊盘、第二焊盘和第三焊盘；
步骤5：将SOI硅片和玻璃基板进行阳极键合；
步骤6：硅片正面进行反应离子干法刻蚀硅膜，到界面氧化硅停止；
步骤7：磁控溅射金属镍并刻蚀形成磁性材料，然后腐蚀氧化硅，释放滑块部分；
步骤8：划片后在每个衬底背面贴磁体即完成器件芯片级封装部分。
有益效果：1)本发明提出的微机械位移传感器，采用磁力保证接触电极和电阻的紧密接触，可靠性好；2)整个传感器采用微机械加工实现，可以一次批量制造，一致性好且成本低；3)采用非绕线式电位器位移结构，结构简单，分辨率较高、寿命长，耐磨；利用磁体和磁性材料间的吸引力，接触板和电阻条接触良好，抗干扰能力强；结构微小，便于集成；可采用体硅微机械加工技术，工艺可靠、批量制造容易且成本低；以硅为衬底，且加工方法和半导体工艺兼容，便于与测量电路集成，可实现自动测量和较高的精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明剖面示意图。
图3a为硅衬底底部浅槽刻槽示意图。
图3b为接触电极形成示意图。
图3c为深槽刻蚀示意图。
图3d为玻璃上结构形成示意图。
图3e为玻璃和硅阳极键合示意图。
图3f为正面硅膜刻蚀示意图。
图中，衬底基板1、电阻线2、焊盘21和22、终端挡板3、L型固定壁41和42、接触电极5、滑块6、磁性材料7、磁体8、金属导线9和焊盘91。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明提供的微机械位移传感器，参见图1，该传感器包括衬底基板1、电阻线2、第一焊盘21和第二焊盘22、终端挡板3、第一固定壁41和第二固定壁42、接触电极5、滑块6、磁性材料7、磁体8、金属导线9和第三焊盘91；
衬底基板1包括正面和与正面相对设置的背面；
衬底基板1正面分为左右两个区域，
左边区域设有第一焊盘21、第二焊盘22和第三焊盘91，还设有终端挡板3；
右边区域设有滑块6以及固定滑块6的第一固定壁41和第二固定壁42；
滑块6包括上边框、下边框和连接上边框和下边框的的连接框，上边框、下边框和连接框形成空间，且该空间开口朝向左边区域；第一固定壁41和第二固定壁42分别固定在上边框和下边框；磁性材料层7覆盖于滑块6上边框、下边框和连接框的内表面；接触电极5设置在滑块6的空间内，且靠近开口处；
磁体8放置在衬底基板1的背面。
衬底基板表面微电绝缘，电阻线2和金属导线9为同种材料。
一种微机械位移传感器，如附图1和2所示，传感器由衬底基板1、电阻线2、焊盘21和22、终端挡板3、L型固定壁41和42、接触电极5、滑块6、磁性材料7、磁体8、金属导线9和焊盘91组成。衬底材料1为表面绝缘的平坦材料，例如带有氧化膜的硅片，其上表面设有带焊盘21和22的电阻线2，及金属导线9和焊盘91。在焊盘21和22的外侧的衬底1上设有终端挡板3，以防止滑块6从电阻线焊盘上方滑出衬底之外。滑块6为矩形框结构，为导体材料，其上表面覆盖磁性材料层7，例如金属镍薄膜。在滑块的两侧，各有一个L型固定壁41和42挡住滑块6，该固定壁41和42和衬底牢固粘结，上方的横条防止滑块6离面脱离衬底1。磁体8放置在衬底材料1的背面，通过对滑块6表面的磁性材料7产生磁吸力，使滑块6固定在衬底表面，同时保证滑块上的接触电极5和电阻线2和金属导线9紧密接触。
该传感器工作时，衬底1固定在工件1上，滑块6一端固定在工件2上，当工件2相对于工件1产生位移，将带动滑块6沿电阻线2方向产生移动，设焊盘21接电压V，焊盘22接地线，电阻线2的总电阻为R，接触电极5和电阻线2的接触点到焊盘22之间的电阻为Rx，则焊盘91的电压由于Rx随滑块6移动而变化，因此输出电压Vo也将反映实际位移的大小。
一种微机械位移传感器，如附图1和2所示，传感器由衬底基板1、电阻线2、焊盘21和22、终端挡板3、L型固定壁41和42、接触电极5、滑块6、磁性材料7、磁体8、金属导线9和焊盘91组成。滑块6相对衬底1沿电阻线2方向位移，将改变接触电极5和电阻线的接触位置，导致焊盘9输出的电阻或电压随位移位置而变，从而敏感位移的大小。
该传感器的制备方法如下：
1)选择绝缘体上的硅(SOI)作为起始硅片，通过背面光刻和等离子干法刻蚀将底部刻浅槽(图3a)；
2)磁控溅射钛和金，并光刻形成接触电极5(图3b)；
3)采用深反应离子刻蚀工艺对背面进行深槽刻蚀，一直到界面的氧化硅层停止(图3c)；
4)玻璃基板作为衬底基板1，在表面溅射钛、铂和金，然后光刻形成电阻线2、金属导线9、及焊盘21、21和91(图3d)；
5)将SOI硅片和玻璃基板进行阳极键合(图3e)；
6)硅片正面进行反应离子干法刻蚀硅膜，到界面氧化硅停止(图3f)；
7)磁控溅射金属镍，并刻蚀出图1的形状，然后腐蚀氧化硅，释放滑块6部分。到此完成整个器件的工艺。
8)划片后在每个衬底背面贴磁体8即完成器件芯片级封装部分。

Claims (3)

1.一种微机械位移传感器，其特征在于，该传感器包括衬底基板(1)、电阻线(2)、第一焊盘(21)和第二焊盘(22)、终端挡板(3)、第一固定壁(41)和第二固定壁(42)、接触电极(5)、滑块(6)、磁性材料(7)、磁体(8)、金属导线(9)和第三焊盘(91)；
衬底基板(1)包括正面和与正面相对设置的背面；
衬底基板(1)正面分为左右两个区域，
左边区域设有第一焊盘(21)、第二焊盘(22)和第三焊盘(91)，还设有终端挡板(3)；
右边区域设有滑块(6)以及固定滑块(6)的第一固定壁(41)和第二固定壁(42)；
滑块(6)包括上边框、下边框和连接上边框和下边框的的连接框，上边框、下边框和连接框形成空间，且该空间开口朝向左边区域；第一固定壁(41)和第二固定壁(42)分别固定在上边框和下边框；磁性材料层(7)覆盖于滑块(6)上边框、下边框和连接框的内表面；接触电极(5)设置在滑块(6)的空间内，且靠近开口处；
磁体(8)放置在衬底基板(1)的背面。
2.根据权利要求1所述微机械位移传感器，其特征在于，衬底基板表面微电绝缘，电阻线(2)和金属导线(9)为同种材料。
3.一种微机械位移传感器的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：选择绝缘体上的硅作为起始硅片，通过背面光刻和等离子干法刻蚀将底部刻浅槽；
步骤2：磁控溅射钛和金，并光刻形成接触电极(5)；
步骤3：采用深反应离子刻蚀工艺对背面进行深槽刻蚀，一直到界面的氧化硅层停止；
步骤4：玻璃基板作为衬底基板(1)，在表面溅射钛、铂和金，然后光刻形成电阻线(2)、金属导线(9)、及第一焊盘(21)、第二焊盘(22)和第三焊盘(91)；
步骤5：将SOI硅片和玻璃基板进行阳极键合；
步骤6：硅片正面进行反应离子干法刻蚀硅膜，到界面氧化硅停止；
步骤7：磁控溅射金属镍并刻蚀形成磁性材料(7)，然后腐蚀氧化硅，释放滑块(6)部分；
步骤8：划片后在每个衬底背面贴磁体(8)即完成器件芯片级封装部分。
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