CN108557759A - 高性能柔性触力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能柔性触力传感器及其制备方法。该高性能柔性触力传感器是基于柔性微机电系统工艺制造的高性能柔性触力传感阵列，由硅基压阻式触力传感器作为传感单元，由柔性聚合物材料填充的柔性隔离槽作为柔性互连。本发明通过高精度硅基微机电系统加工技术实现的该触力传感阵列具有较高的线性度和灵敏度，且结构稳定、性能可靠、耐用性良好；同时，通过柔性隔离槽连接刚性传感单元实现柔性触力传感阵列的新技术具有潜在的应用价值。

Description

高性能柔性触力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微纳加工领域，具体涉及一种基于聚对二甲苯(Parylene)的柔性微机电系统工艺(柔性MEMS工艺)制造的高性能柔性触力传感器及其制备方法。
背景技术
柔性触力传感器是一种用于检测接触力大小的柔性电子器件，是目前柔性电子技术的研究热点之一，在机器人、电子皮肤、可穿戴设备、柔性触屏、智能医疗等领域具有广阔的应用前景。尤其对于机器人产业，无论是在制造环境下应用的工业机器人，还是非制造环境下应用的服务机器人，均需要高精度高可靠性的触力传感系统。如近年来快速发展起来的手术机器人，虽然可以通过高操作精度的机械臂完成复杂的外科手术，但是实际操作中仍然需要经验丰富的医生通过手指的触诊获取手术区域的解剖信息。因此构建高性能柔性触力传感系统将部分地实现甚至超过医生的触诊能力，实现肿瘤等临床对象的探查功能，提高手术性能和适应性。
根据信号转换方式的不同，触力传感器主要可以分为压阻式、电容式、压电式、光学式触力传感器等。其中压阻式触力传感器利用敏感材料的压阻效应将接触力的变化转换为材料电阻值的变化，实现电学信号输出；电容式触力传感器将接触力的变化转变为电容两电极的间距变化，从而引起电容值的变化，输出可检测的电学信号；压电式触力传感器利用压电材料的压电效应，将接触力的变化转变为电荷量变化，实现电学信号输出。
目前柔性触力传感器的柔性实现策略通常是使用“柔性材料-传感器-柔性材料”的三明治结构或将碳纳米管、石墨烯等敏感材料与柔性材料组成导电聚合物后置于柔性衬底上。通过立体凸结构或中间层结构的设计形成传感阵列，实现接触力的大小和分布情况的检测。常用的柔性材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。如专利CN 206132280 U的实用新型专利利用由柔性材料形成的内部凸结构在压力作用下形变的原理设计了一种柔性压阻式压力传感器；专利CN 106092389 A的发明专利通过中间层压敏薄膜和pn结整流二极管构成的串联结构的设计解决了阵列电阻间的交叉耦合问题，提出了一种柔性阵列式压力传感器。基于上述方式制备的柔性触力传感器虽然灵敏度较高、结构简单，但与基于MEMS(微机电系统)工艺制作的硅基触力传感器相比，仍然存在精度低、测压范围有限、稳定性差、响应速度慢等缺点。
为此，需要发明一种高精度高可靠性的柔性触力传感器技术，在实现良好的柔性特征的同时保证传感器的稳定工作和精准测量。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种采用柔性微机电系统工艺(柔性MEMS工艺)制造的高性能柔性触力传感器。该柔性触力传感器以高精度硅基MEMS压力传感器作为功能单元，通过硅基MEMS压力传感器的阵列化和使用由柔性聚合物材料填充的柔性隔离槽实现硅基器件的柔性化，在实现良好的柔性特征的同时实现了触力传感器的高精度高可靠性测量。
本发明所采用的技术方案如下：
一种高性能柔性触力传感器，采用微机电系统(MEMS)硅基压阻式触力传感器作为传感单元，所述传感单元之间采用由聚合物填充的柔性隔离槽实现柔性连接。即传感单元之间通过预定义隔离槽及聚合物保型淀积，实现传感器的柔性裹覆。
进一步地，所述MEMS硅基压阻式触力传感器包括硅应变结构、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线；所述硅应变结构为硅衬底经过正面或背面刻蚀形成的对触力敏感的硅膜；所述压敏电阻在硅应变结构上的触力敏感区域成对称分布；所述重掺杂接触区分布在压敏电阻的两端；所述金属引线与所述重掺杂接触区在硅衬底正面形成欧姆接触。
进一步地，所述MEMS硅基压阻式触力传感器为自由悬浮膜式结构，包括自由悬浮的弹性悬臂梁、压敏电阻、支撑架和悬浮硅块，其中弹性悬臂梁、支撑架和悬浮硅块构成所述硅应变结构。所述自由悬浮的弹性悬臂梁连接了外围的支撑架和内部的悬浮硅块，在施加压力时，悬浮硅块的移动将带动悬臂梁产生形变，通过悬臂梁上的压敏电阻连接而成的惠斯通电桥实现电学信号的输出。
进一步地，所述自由悬浮膜式结构为中心对称结构，悬浮硅块和支撑架均为正方形，所述悬浮硅块位于传感器的中心。弹性悬臂梁分布在悬浮硅块的四边，每边的悬臂梁个数可为一个或两个，成“十”字或“井”字型分布。支撑架位于最外圈，为悬臂梁的形变提供支撑。
进一步地，所述悬臂梁、支撑架和悬浮硅块的厚度大小为：支撑架＞悬浮硅块≥悬臂梁。
进一步地，所述压敏电阻在自由悬浮膜式结构中成对称分布，每个悬臂梁上分布两个压敏电阻，分别位于悬臂梁的两端。
进一步地，所述保型淀积的聚合物为聚对二甲苯(Parylene)，或其它任意可化学气相沉积的柔性材料。
进一步地，基于聚对二甲苯(Parylene)的淀积具有高保型性，因此所述隔离槽将分割成高深宽比的若干平行的窄槽进行保型淀积，以保证柔性裹覆的平整性。
进一步地，所述隔离槽下方的多余硅通过背面深刻蚀的工艺去除以实现传感器之间的柔性连接。
一种上述高精度柔性触力传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)在硅衬底正面制作压敏电阻和重掺杂接触区；
2)在硅衬底正面制作传感单元之间的高深宽比平行隔离槽；
3)在硅衬底正面保型淀积聚合物，填充满高深宽比平行隔离槽之间的空隙至形成平整表面，形成柔性连接结构；
4)在所述聚合物表面制作引线孔和金属引线；
5)在硅衬底背面进行刻蚀制作微机电系统硅基压阻式触力传感器和柔性连接结构所需的图形，形成高性能柔性触力传感阵列。
进一步地，步骤1)通过离子注入的方式制作压敏电阻和重掺杂接触区。
进一步地，步骤2)对所述硅衬底深刻蚀直到暴露出所述淀积的高深宽比平行隔离槽，构成空气间隙结构。
进一步地，步骤3)淀积一定厚度的聚合物以填充满多个所述的高深宽比平行隔离槽之间的空隙。
进一步地，步骤4)通过氧等离子体刻蚀所述聚合物以形成引线孔；对硅衬底溅射金属种子层，并进行光刻，由电镀金属制备互连引线，去除光刻胶及种子层后获得所述金属引线，并对硅衬底再次淀积一定厚度的所述聚合物作为电隔离保护；最后进行光刻，并用氧等离子体刻蚀所述聚合物以获得引线电极与外界的引线接口。
进一步地，步骤5)通过深刻蚀暴露出所述淀积的聚合物所填充的高深宽比平行隔离槽并释放隔离槽中所有的残余硅，同时刻蚀出所述微机电系统硅基压阻式触力传感器的硅应变结构，再淀积一定厚度的所述聚合物以填充高深宽比平行隔离槽中的剩余空间，形成传感单元之间的全聚合物连接和n×m所述高性能柔性触力传感阵列的柔性裹覆。
本发明提出了一种高性能柔性触力传感器及其制备方法。悬臂梁结构的引入扩大了自由悬浮膜的应力承受范围，可实现大量程的触力测量；通过压敏电阻的对称放置使传感器获得高线性度，可实现高精度的触力测量；硅基压阻式MEMS触力传感器固有的结构可靠性将保证柔性触力传感阵列优良的传感性能；基于聚对二甲苯(Parylene)等聚合物的柔性MEMS工艺将在保证触力传感器的工作性能的同时实现可设计的柔性特征。
本发明为柔性触力传感器领域提供了一种实现高性能触力传感的新技术，基于所述聚对二甲苯微机电系统工艺(Parylene MEMS工艺)加工的此结构的柔性触力传感器具有高线性度、高稳定性和强耐用性。同时，该结构可采用大批量、高可靠性加工工艺实现，而聚对二甲苯(Parylene)等聚合物固有的柔性和生物相容性也将保证该柔性触力传感器在手术机器人、电子皮肤和可穿戴设备等领域的高适应性高可靠性应用。
附图说明
图1是根据本发明高性能柔性触力传感技术实施的柔性触力传感阵列结构示意图(以10×10阵列为例)。
图2(a)是本发明采用的MEMS硅基压阻式触力传感器(即柔性触力传感阵列的传感单元)的结构示意图；图2(b)是该MEMS硅基压阻式触力传感器上压敏电阻的分布示意图。
图3(a)～图3(i)是本发明中高性能柔性触力传感技术实施的柔性触力传感阵列的制备方法示意图(以两个相邻的传感单元为例)，其中：
图3(a)为硅衬底上生长二氧化硅的示意图；
图3(b)为离子注入制作压敏电阻的示意图；
图3(c)为离子注入制作重掺杂接触区的示意图；
图3(d)为硅片正面刻蚀柔性隔离槽的示意图；
图3(e)为硅片正面保型淀积聚对二甲苯(Parylene)的示意图；
图3(f)为硅片正面制作金属引线的示意图；
图3(g)为硅片正面制作金属引线与外界的引线接口的示意图；
图3(h)为硅片背面制作传感单元悬臂梁结构和柔性隔离槽的示意图；
图3(i)为硅片背面刻蚀残余硅和淀积聚对二甲苯(Parylene)的示意图；
图中：1—MEMS硅基压阻式触力传感器；2—聚对二甲苯(Parylene)；3—弹性悬臂梁；4—支撑架；5—悬浮硅块；6—压敏电阻；7—重掺杂接触区；8—硅衬底；9—二氧化硅；10—柔性隔离槽；11—金属引线；12—引线接口。
具体实施方式
本发明提出的高性能柔性触力传感器及其制备方法，结合附图和实施例说明如下。
本实施例提出的高性能柔性触力传感器技术所能实现的n×m柔性触力传感阵列如图1所示，图1中n＝m＝10。其中触力传感器为MEMS硅基压阻式触力传感器1，相邻两个传感器中间以一定厚度的聚对二甲苯(Parylene)2相连，传感器表面也保型淀积了一定厚度的聚对二甲苯(Parylene)2。
MEMS硅基压阻式触力传感器1的结构如图2(a)所示，其中自由悬浮的弹性悬臂梁3连接了外围的支撑架4和内部的悬浮硅块5，在施加压力时，悬浮硅块5的移动将带动悬臂梁3产生形变，通过悬臂梁3上如图2(b)所示的压敏电阻6连接而成的惠斯通电桥实现电学信号的输出。
本实施例的高性能柔性触力传感器的制备流程如图3所示，具体实施步骤如下：
1)备片：N型(100)双抛硅片作为传感阵列的硅衬底8，硅片厚度为400μm，硅片表面热氧化生长二氧化硅9，如图3(a)所示；
2)制作压敏电阻6：硅片正面进行第一次光刻图形形成压敏电阻区域，通过RIE刻蚀二氧化硅离子注入硼离子，并推进，如图3(b)所示；
3)制作重掺杂接触区7：硅片正面进行第二次光刻图形形成重掺杂接触区，通过RIE刻蚀二氧化硅离子注入硼离子，并推进，如图3(c)所示；
4)制作柔性隔离槽10：硅片进行二氧化硅；硅片正面进行第三次光刻形成柔性隔离槽区域，通过RIE刻蚀二氧化硅ASE刻蚀硅40μm，得到若干宽度<5μm的柔性隔离槽，如图3(d)所示；
5)制作柔性连接结构：硅片进行CVD聚对二甲苯(Parylene)5μm，如图3(e)所示；
6)制作金属引线11：硅片正面进行氧等离子体刻蚀，暴露出重掺杂接触区7与引线的互连通孔，对硅衬底溅射Cr/Au种子层，并进行第四次光刻，电镀Au5μm制作金属引线11，接着去光刻胶和腐蚀种子层以获得所述金属引线既定的电互连功能，如图3(f)所示；
7)制作金属引线与外界的引线接口12：硅片进行CVD聚对二甲苯(Parylene)5μm作为电隔离保护，对硅片正面进行第五次光刻，并进行氧等离子体刻蚀形成金属引线与外界的引线接口12，如图3(g)所示；
8)制作传感单元悬臂梁结构和柔性隔离槽：硅片背面进行氧等离子体刻蚀，将前面步骤所淀积的聚对二甲苯(Parylene)刻蚀干净，并进行CMP减薄，使硅片背面减薄至支撑架4的厚度。接着对硅片背面进行两次光刻形成触力传感器的弹性悬臂梁3和悬浮硅块5的图形，同时将柔性隔离槽下方的硅深刻蚀至暴露聚对二甲苯(Parylene)柔性结构，如图3(h)所示。对硅片背面进行深刻蚀至释放柔性隔离槽中的所有残余硅，并淀积5μm聚对二甲苯，使柔性隔离槽之间的间隙被新淀积的聚对二甲苯填满，形成传感单元之间的全聚合物连接，同时使传感阵列背面形成柔性裹覆，如图3(i)所示，最终获得所述的高性能柔性触力传感阵列。
本发明中的MEMS硅基压阻式触力传感器中，悬臂梁的数量不限于图2(a)中的数量；压敏电阻的数量和排列方式也不限于图2(b)中的情形；悬臂梁、悬浮硅块、支撑架的尺寸可以多样化；同时，该高性能柔性触力传感器的传感单元不限于图2(a)所示的悬臂梁式结构。
本发明中的柔性隔离槽内聚合物(聚对二甲苯)可以采用其他可化学气相沉积的柔性材料代替；金属种子层可以采用Cu种子层代替。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种高性能柔性触力传感器，其特征在于，采用微机电系统硅基压阻式触力传感器作为传感单元，所述传感单元之间采用由聚合物填充的柔性隔离槽实现柔性连接。
2.如权利要求1所述的高性能柔性触力传感器，其特征在于，所述微机电系统硅基压阻式触力传感器包括硅应变结构、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线；所述硅应变结构为硅衬底经过正面或背面刻蚀形成的对触力敏感的硅膜；所述压敏电阻在硅应变结构上的触力敏感区域成对称分布；所述重掺杂接触区分布在压敏电阻的两端；所述金属引线与所述重掺杂接触区在硅衬底正面形成欧姆接触。
3.如权利要求2所述的高性能柔性触力传感器，其特征在于，所述硅应变结构包括弹性悬臂梁、外围的支撑架和内部的悬浮硅块，所述弹性悬臂梁连接所述支撑架和所述悬浮硅块；所述压敏电阻位于所述弹性悬臂梁上并连接成惠斯通电桥；在施加压力时所述悬浮硅块的移动带动所述弹性悬臂梁产生形变，通过所述惠斯通电桥实现电学信号的输出。
4.如权利要求3所述的高性能柔性触力传感器，其特征在于，所述硅应变结构为中心对称结构，所述悬浮硅块和所述支撑架均为正方形，所述悬浮硅块位于所述微机电系统硅基压阻式触力传感器的中心，所述弹性悬臂梁分布在所述悬浮硅块的四周；每个所述弹性悬臂梁上分布两个压敏电阻。
5.如权利要求3或4所述的高性能柔性触力传感器，其特征在于，所述弹性悬臂梁、所述支撑架和所述悬浮硅块的厚度大小为：支撑架＞悬浮硅块≥弹性悬臂梁。
6.如权利要求1所述的高性能柔性触力传感器，其特征在于，所述聚合物为包括聚对二甲苯在内的任意能够化学气相沉积的柔性材料。
7.如权利要求1所述的高性能柔性触力传感器，其特征在于，所述柔性隔离槽为以相同的间隔均匀分布于传感单元之间的由所述聚合物填充的高深宽比隔离槽；对硅衬底进行深刻蚀至释放所有隔离槽之间的残余硅，并淀积所述聚合物以实现传感单元之间的全聚合物柔性连接。
8.如权利要求1所述的高性能柔性触力传感器，其特征在于，所述柔性连接能够实现刚性的所述传感单元之间的柔性互连和表面平面化功能。
9.一种权利要求1所述的高性能柔性触力传感器的制备方法，其步骤包括：
对硅衬底正面进行离子注入制作压敏电阻和重掺杂接触区；
对硅衬底正面进行光刻，通过深刻蚀方式形成隔离槽，并淀积一定厚度的聚合物以填充所述隔离槽形成柔性连接结构；
对硅衬底正面进行光刻，通过氧等离子体刻蚀淀积的聚合物，在重掺杂接触区与对应的引线之间形成互连窗口；
对硅衬底正面进行溅射种子层和光刻，由电镀金属制备相应的所述重掺杂接触区对应的互连金属引线，去除光刻胶和种子层后获得传感单元内部和传感单元之间的电学互连；
对硅衬底正面淀积一定厚度的聚合物作为电隔离保护，进行光刻并通过氧等离子体刻蚀所述淀积的聚合物以获得引线电极与外界的引线接口；
对硅衬底背面进行光刻，刻蚀所述微机电系统硅基压阻式触力传感器和所述柔性连接结构所需的图形，形成高性能柔性触力传感阵列。
10.如权利要求9所述的高性能柔性触力传感器的制备方法，其特征在于，所述对硅衬底背面进行光刻包括：通过深刻蚀暴露出所述淀积的聚合物所填充的柔性隔离槽并释放所述柔性隔离槽中的所有残余硅，同时刻蚀出所述微机电系统硅基压阻式触力传感器的硅应变结构，再淀积一定厚度的所述聚合物以填充所述柔性隔离槽的剩余空间，形成传感单元之间的全聚合物连接和传感阵列的完整的柔性裹覆。
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