CN107063521B - 一种具有闭环功能的微力加载机构及其制作工艺与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有闭环功能的微力加载机构及其制作工艺与应用，其中，所述机构包括U型支撑架(1)，在所述U型支撑架(1)的内侧面上水平设置有悬臂梁(21)，其中，在所述悬臂梁(21)的上表面、靠近自由端处设置有压电驱动结构(211)，在所述悬臂梁(21)的根部设置有压敏检测结构(212)；其中，在电场作用下，所述压电驱动结构(211)驱使悬臂梁(21)的自由端发生位移，对样品施加微力，同时，悬臂梁(21)的根部发生变形，压敏检测结构(212)因其根部的形变产生输出电压，能够测量对样品施加的微力。本发明所述微力加载机构可以对样品施加微力，并且其实现了闭环功能，可以对产生的微力及时地进行反馈，且其制作工艺简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及微力加载系统，具体地，涉及一种具有闭环功能的微力加载机构及其制作工艺与应用。
背景技术
随着纳米科技的迅速发展，微力加载作为微尺度环境下的一种重要测试手段已经受到了人们的广泛关注，它可以应用于微装配、微操作系统、生物力学测试、生物微操作、扫描力显微镜、原子力显微镜、台阶仪和划痕仪等领域。
但是，目前的微力加载不具有闭环功能，即不能对施加的微力进行监测，没有微力反馈功能，这样，在操作时不能实现微力加载的可测性，因此，在现阶段还不能得到很好的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计了一种悬臂梁式微力加载机构，其中，在悬臂梁的自由端设置有压电驱动结构，所述压电驱动装置利用逆压电效应在电场下可以驱动设置在悬臂梁的自由端向下的微力加载触点对接触体产生微力，在悬臂梁的根部设置有压敏检测结构，所述压敏检测结构可以对压电驱动装置产生的微力进行检测，起到微力反馈的作用，赋予所述微力加载机构闭环功能，从而完成本发明。
本发明一方面提供了一种具有闭环功能的微力加载机构，具体体现在以下几方面：
(1)一种具有闭环功能的微力加载机构，其中，所述机构包括U型支撑架1，在所述U型支撑架1的内侧面上水平设置有悬臂梁21，其中，在所述悬臂梁21的上表面、靠近自由端处设置有压电驱动结构211，在所述悬臂梁21的根部设置有压敏检测结构212；其中，
悬臂梁21与U型支撑架1连接的一端为悬臂梁21的根部，另一端为悬臂梁21的自由端。
(2)根据上述(1)所述的微力加载机构，其中，在所述悬臂梁21的自由端处向下设置有微力加载触点22。
(3)根据上述(1)或(2)所述的微力加载结构，其中，所述压电驱动结构211由下而上依次包括绝缘层2111、底电极2112、双层压电子结构2113和顶电极2114，优选地，所述双层压电子结构2113自下而上依次包括第一压电薄膜材料层21131、中间电极21132和第二压电薄膜材料层21133。
(4)根据上述(3)所述的微力加载结构，其中，所述底电极2112为Ti/Pt电极，所述顶电极2114为Pt电极，所述中间电极21132为Pt电极。
(5)根据上述(3)所述的微力加载结构，其中，所述第一压电薄膜材料层21131和所述第二压电薄膜材料层21133均采用Li掺杂的ZnO薄膜材料。
(6)根据上述(5)所述的微力加载机构，其中，锂的掺杂量为3～10％，优选为3～8％，更优选为5％。
(7)根据上述(1)所述的微力加载机构，其中，所述压敏检测结构212由四个压敏电阻构成，分别为第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3和第四压敏电阻R4，优选地，所述四个压敏电阻构成惠斯通桥结构。
(8)根据上述(1)至(7)之一所述的微力加载机构，其中，
所述U型支撑架1的高度为450～525μm，优选为450～500μm，更优选为450～480μm；和/或
所述悬臂梁21的厚度为5～20μm，优选为5～15μm，更优选为5～8μm。
本发明另一方面提供了一种上述具有闭环功能的微力加载机构的制作工艺，具体如下：
(9)一种上述(1)至(8)之一所述的具有闭环功能的微力加载机构的制作工艺，其中，所述制作工艺包括以下步骤：
步骤1、清洗SOI硅片，优选为器件层为<100>晶向n型单晶硅；
步骤2、一次氧化，采用热氧化法在单晶硅表面生长二氧化硅层，厚度约为50nm；
步骤3、一次光刻，形成p+区窗口，采用离子注入工艺注入高浓度硼，形成p+区；
步骤4、二次光刻，形成p-区窗口，采用离子注入工艺注入低浓度硼，形成p-区，得到第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3和第四压敏电阻R4，去除二氧化硅层；
步骤5、清洗，二次氧化，采用热氧化法在单晶硅表面生长二氧化硅层，厚度约为600nm；
步骤6、三次光刻，刻蚀惠斯通电桥结构引线孔；
步骤7、蒸镀金属电极层，厚度200nm，并进行四次光刻，刻蚀金属电极，形成互连线；
步骤8、五次光刻，采用磁控溅射方法在二氧化硅层上生长底电极2112，通过光刻胶金属剥离工艺形成有效底电极层；
步骤9、清洗，六次光刻，采用磁控溅射方法生长第一压电薄膜材料层21131、中间电极21132和第二压电薄膜材料层21133，并通过光刻胶去胶形成有效压电材料图形；
步骤10、七次光刻，采用磁控溅射方法生长顶电极2114，通过光刻胶去胶形成有效顶电极层；
步骤11、在顶电极上面进行钝化层的生长，采用化学气相沉积生长钝化层，八次光刻，形成惠斯通电桥结构引出的压焊点、顶电极引出的压焊点21141和底电极引出的压焊点21121；清洗，合金化30min，形成较好的欧姆接触；
步骤12、九次光刻，通过ICP工艺，单晶硅片背面形成腐蚀坑(硅杯结构)；
步骤13、十次光刻，单晶硅正面ICP刻蚀，释放悬臂梁，得到所述具有闭环功能的微力加载机构。
本发明第三方面提供了一种本发明第一方面所述的具有闭环功能的微力加载机构用作测试仪器的测试探针的用途，优选用作扫描力显微镜、原子力显微镜、台阶仪或划痕仪的测试探针的用途，更优选用于微力加载系统。
附图说明
图1示出本发明所述具有闭环功能的微力加载机构的结构示意图；
图2示出压敏检测结构的等效电路图；
图3-a示出所述压电驱动结构在无外加电场下的微力加载示意图；
图3-b示出所述压电驱动结构在外加电场下的微力加载示意图；
图4-1～图4-13示出所述微力加载机构的制作工艺流程图。
附图标记说明
1-U型支撑架；
21-悬臂梁；
211-压电驱动结构；
2111-绝缘层；
2112-底电极；
2113-双层压电子结构；
21131-第一压电薄膜材料层；
21132-中间电极；
21133-第二压电薄膜材料层；
2114-顶电极；
212-压敏检测结构；
R1-第一压敏电阻；
R2-第二压敏电阻；
R3-第三压敏电阻；
R4-第四压敏电阻；
22-微力加载触点；
Vout-输出电压；
Vout1-第一输出电压；
Vout2-第二输出电压；
VDD-电源；
GND-接地。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明一方面提供了一种具有闭环功能的微力加载机构，如图1所示，所述机构包括U型支撑架1，在所述U型支撑架1的内侧面上水平设置有悬臂梁21，在所述悬臂梁21的自由端向下设置有微力加载触点22。
其中，悬臂梁21与U型支撑架1连接的一端为悬臂梁21的根部，另一端为悬臂梁21的自由端，其可以在力的作用下进行上下方向微小的移动，继而带动微力加载触点22也随之移动，而悬臂梁的根部则会发生弯曲形变。
根据本发明一种优选的实施方式，如图1所示，在所述悬臂梁21的上表面、靠近自由端处设置有压电驱动结构211。
其中，所述压电驱动结构211用于在电场下产生弹性形变，作用悬臂梁21上，继而引起悬臂梁自由端处的微力加载触点22对被测样品产生微力。
在进一步优选的实施方式中，如图1所示，所述压电驱动结构211由下而上依次包括绝缘层2111、底电极2112、双层压电子结构2113和顶电极2114。
在更进一步优选的实施方式中，如图1所示，所述双层压电子结构2113自下而上依次包括第一压电薄膜材料层21131、中间电极21132和第二压电薄膜材料层21133。
其中，所述第一压电薄膜材料层21131和第二压电薄膜材料层21133具有逆压电效应，当在其上施加电场时，其会产生与电场强度呈比例的变形或机械应力，即可以将电能转化为机械能，当外加电场撤去时，所述变形或机械应力也随之消失。
这样，双层压电子结构2113在电场作用下产生弹性形变，所述弹性形变作用于悬臂梁21的上表面，进而使悬臂梁21自由端处的微力加载触点22也会产生向上或向下的位移，此时，如果在微力加载触点的下端放置需要检测的样品，则微力加载触点的下端会与样品接触，进而可以对样品进行相应微力加载。
在本发明中，采用双层结构的目的是可以提高压电驱动结构211的驱动能力。其中，电场驱动相对于磁场驱动或温度驱动等而言，具有更好的可控性，进而实现稳定驱动。
根据本发明一种优选的实施方式，所述绝缘层2111为二氧化硅绝缘层。
在进一步优选的实施方式中，所述底电极2112为Ti/Pt电极，所述顶电极2114为Pt电极，所述中间电极21132为Pt电极。
其中，底电极与绝缘层直接接触，而纯Pt与SiO2的结合性不理想，因此，在底电极中引入Ti，利用Ti的粘结作用提高Pt与SiO2的结合性。
根据本发明一种优选的实施方式，所述第一压电薄膜材料层21131和所述第二压电薄膜材料层21133均采用Li掺杂的ZnO薄膜材料。
其中，本征ZnO薄膜为高阻材料，但生长的ZnO薄膜却因缺陷存在，具有n型半导体的低阻电学性质，而掺杂Li+可以提高ZnO薄膜的电阻率，以ZnO薄膜在压电器件方面得以应用。
在进一步优选的实施方式中，锂的掺杂量为3～10％。
在更进一步优选的实施方式中，锂的掺杂量为3～8％，例如5％。
其中，ZnO薄膜的电阻率可在10-4-1010Ω·cm范围内变化，通过掺杂可以改变ZnO薄膜的电阻率。ZnO为n型半导体，其导电载流子来源于其存在的锌间隙离子与氧空位，掺杂原子有优先取代与其电负性相近的原子的倾向，当掺杂元素的电负性介于Zn和O之间时，粒子尺寸的相对大小起决定性作用。Li+半径(0.078nm)与Zn2+半径(0.074nm)非常接近，Li+取代Zn2+可降低ZnO的n型半导体化趋势，使绝缘电阻增加。可见,Li+掺杂可提高空穴的浓度，而释放的空穴与自由电子复合，从而使导电率下降，绝缘电阻增加，提高ZnO薄膜的电阻率。
根据本发明一种优选的实施方式，如图1所示，在所述悬臂梁21的根部设置有压敏检测结构212，所述压敏检测结构212由四个压敏电阻构成，分别为第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3和第四压敏电阻R4。
其中，所述压敏电阻为半导体材料，其具有压阻效应，在应力作用下，载流子的浓度和迁移率发生变化，从而使材料的电阻率发生变化。因此，所述压敏检测结构212具有微力反馈作用，对压电驱动结构211产生的微力进行反馈，因此，在压电驱动结构211和压敏检测结构212的共同作用下实现了所述微力加载机构的闭环功能，得到一种具有闭环功能的微力加载机构。这样，在采用所述机构施加微力时，其压敏检测结构212可以对产生的微力进行检测，从而调整外加电场，进行边检测边调整的过程。
在进一步优选的实施方式中，如图2所示，所述四个压敏电阻构成惠斯通桥结构。
其中，在电场下，悬臂梁21的自由端产生向上、向下的位移，而悬臂梁21的根部由于固定于U型支撑架1上而不发生位移，但是会发生形变，即压敏电阻发生形变，其形变导致压敏电阻的电阻率发生变化，进而引起惠斯通电桥结构产生输出电压Vout，实现了对压电驱动结构211产生的微力的检测。
在更进一步优选的实施方式中，如图2所示，第一压敏电阻R1和第四压敏电阻R4分别与电源VDD连接，而第三压敏电阻R3与第一压敏电阻R1串联，形成第一输出电压Vout1，第二压敏电阻R2与第四压敏电阻R4串联，形成第二输出电压Vout2，同时，第二压敏电阻R2与第三压敏电阻R3接地。
其中，第一输出电压Vout1和第二输出电压Vout2构成差分结构，实现对微力的检测。
根据本发明一种优选的实施方式，所述U型支撑架1的高度为450～525μm，优选为450～500μm，更优选为450～480μm。
在进一步优选的实施方式中，所述悬臂梁21的厚度为5～20μm，优选为5～15μm，更优选为5～8μm。
其中，悬臂梁21的厚度必须控制在一合理范围内，若其厚度太厚，大于20μm，则会由于悬臂梁太厚而驱动不起来；若其太薄，小于5μm，则不具有一定的强度，影响使用寿命。
本发明另一方面提供了一种上述微力加载机构的制作工艺，其中，所述工艺包括以下步骤：
步骤1、清洗SOI硅片，优选器件层为<100>晶向n型单晶硅；
步骤2、一次氧化，采用热氧化法在单晶硅表面生长二氧化硅层，厚度约为50nm；
步骤3、一次光刻，形成p+区窗口，采用离子注入工艺注入高浓度硼，形成p+区；
步骤4、二次光刻，形成p-区窗口，采用离子注入工艺注入低浓度硼，形成p-区，得到第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3和第四压敏电阻R4，去除二氧化硅层；
步骤5、清洗，二次氧化，采用热氧化法在单晶硅表面生长二氧化硅层，厚度约为600nm；
步骤6、三次光刻，刻蚀惠斯通电桥结构引线孔；
步骤7、蒸镀金属电极层，厚度200nm，并进行四次光刻，刻蚀金属电极，形成互连线；
步骤8、五次光刻，采用磁控溅射方法在二氧化硅层上生长底电极2112，通过光刻胶金属剥离工艺形成有效底电极层；
步骤9、清洗，六次光刻，采用磁控溅射方法生长第一压电薄膜材料层21131、中间电极21132和第二压电薄膜材料层21133，并通过光刻胶去胶形成有效压电材料图形；
步骤10、七次光刻，采用磁控溅射方法生长顶电极2114，通过光刻胶去胶形成有效顶电极层；
步骤11、在顶电极上面进行钝化层的生长，采用化学气相沉积生长钝化层，八次光刻，形成顶电极引出的压焊点21141和底电极引出的压焊点21121；清洗，合金化30min，形成较好的欧姆接触；
步骤12、九次光刻，通过ICP工艺，单晶硅片背面形成腐蚀坑(硅杯结构)；
步骤13、十次光刻，单晶硅正面ICP刻蚀，释放悬臂梁，得到所述具有闭环功能的微力加载机构。
本发明第三方面提供了一种本发明第一方面和第二方面所述具有闭环功能的微力加载机构用作测试探针的用途，优选用作原子力显微镜、台阶仪和划痕仪等仪器的测试探针。
其中，本发明所述微力加载机构可以应用于台阶仪、力加载装置的探头等系统中，通过调整压电结构驱动电压，悬臂梁自由端的微力加载触点对样品产生微力，可以通过改变驱动电压来控制所加载微力的大小，同时惠斯通电桥的压阻结构对微力的大小进行监测。通过采用该微力加载机构，结合软硬件系统，通过校准程序，利用自反馈，可以实现对所加载的微力的实时监测及可控性加载，体现了微力加载的闭环功能。
本发明所具有的有益效果：
(1)本发明所述具有闭环功能的微力加载机构通过压电驱动结构211和压敏检测结构212实现了闭环功能，这样，可以对产生微力并及时地进行微力监测；
(2)本发明所述具有闭环功能的微力加载机构可以实现微力的加载，所述微力最小可达0.1μN；
(3)本发明所述制作工艺简单、易于实现，且可以实现机构的集成化和小型化。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种具有闭环功能的微力加载机构的制作工艺，其特征在于，所述具有闭环功能的微力加载机构包括U型支撑架（1），在所述U型支撑架（1）的内侧面上水平设置有悬臂梁（21），其中，在所述悬臂梁（21）的上表面、靠近自由端处设置有压电驱动结构（211），在所述悬臂梁（21）的根部设置有压敏检测结构（212）；其中，
悬臂梁（21）与U型支撑架1连接的一端为悬臂梁（21）的根部，另一端为悬臂梁（21）的自由端；
在所述悬臂梁（21）的自由端处向下设置有微力加载触点（22）；所述U型支撑架（1）的高度为450~480 μm；
所述悬臂梁（21）的厚度为5~8 μm；
所述压电驱动结构（211）由下而上依次包括绝缘层（2111）、底电极（2112）、双层压电子结构（2113）和顶电极（2114），所述双层压电子结构（2113）自下而上依次包括第一压电薄膜材料层（21131）、中间电极（21132）和第二压电薄膜材料层（21133）；
所述底电极（2112）为Ti/Pt电极，所述顶电极（2114）为Pt电极，所述中间电极（21132）为Pt电极；
所述第一压电薄膜材料层（21131）和所述第二压电薄膜材料层（21133）均采用Li掺杂的ZnO薄膜材料，锂的掺杂量为3~10%；
该制作工艺包括以下步骤：
步骤1、清洗SOI硅片，器件层<100>晶向n型单晶硅；
步骤2、一次氧化，采用热氧化法在单晶硅表面生长二氧化硅层，厚度为50nm；
步骤3、一次光刻，形成p+区窗口，采用离子注入工艺注入高浓度硼，形成p+区；
步骤4、二次光刻，形成p-区窗口，采用离子注入工艺注入低浓度硼，形成p-区，得到第一压敏电阻（R1）、第二压敏电阻（R2）、第三压敏电阻（R3）和第四压敏电阻（R4），去除二氧化硅层；
步骤5、清洗，二次氧化，采用热氧化法在单晶硅表面生长二氧化硅层，厚度为600nm；
步骤6、三次光刻，刻蚀惠斯通电桥结构引线孔；
步骤7、蒸镀金属电极层，厚度200nm，并进行四次光刻，刻蚀金属电极，形成互连线；
步骤8、五次光刻，采用磁控溅射方法在二氧化硅层上生长底电极（2112），通过光刻胶金属剥离工艺形成有效底电极层；
步骤9、清洗，六次光刻，采用磁控溅射方法生长第一压电薄膜材料层（21131）、中间电极（21132）和第二压电薄膜材料层（21133），并通过光刻胶去胶形成有效压电材料图形；
步骤10、七次光刻，采用磁控溅射方法生长顶电极（2114），通过光刻胶去胶形成有效顶电极层；
步骤11、在顶电极上面进行钝化层的生长，采用化学气相沉积生长钝化层，八次光刻，形成惠斯通电桥结构引出的压焊点、顶电极引出的压焊点（21141）和底电极引出的压焊点（21121）；清洗，合金化30 min，形成欧姆接触；
步骤12、九次光刻，通过ICP工艺，单晶硅片背面形成腐蚀坑；
步骤13、十次光刻，单晶硅正面ICP刻蚀，释放悬臂梁，得到所述具有闭环功能的微力加载机构。
2.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于，所述压敏检测结构（212）由四个压敏电阻构成，分别为第一压敏电阻（R1）、第二压敏电阻（R2）、第三压敏电阻（R3）和第四压敏电阻（R4）。
3.根据权利要求2所述的制作工艺，其特征在于，所述四个压敏电阻构成惠斯通桥结构。
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