CN110207864B - 敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器，包括固定连接的敏感膜和传力导杆，敏感膜包括基板、设于基底中心位置的中心板、连接于基板和中心板之间的悬臂梁、设于悬臂梁上的压敏电阻，基板上设有与压敏电阻位置匹配的接触孔，金属引线与压敏电阻在接触孔内形成欧姆接触，并组成惠斯登电桥；中心板一体连接传力导杆。与现有技术相比，本发明具有制备简便、成本低、测量误差小、方便安装等优点。

Description

敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器及其加工方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器及其加工方法。
背景技术
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代，而传感器作为获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段，起了极大的作用。我国在传感器测试过程中的一些弱点不可避免地显现出来，比如在压敏传感器的测试上有一定的改进之处。
为此，本发明设计了一种敏感膜和传力导杆一体化制备的微力传感器。微力传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基本原理是其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出，从而测得相关数据。
传统方法上对压敏传感器的测试通常采用压敏传感器与力传导杆分开制备的方式，通过粘合剂将压敏传感器与力传导杆进行连接，此方法不仅在粘合过程的操作上具有较大的难度，而且在压敏传感器的后续测量工作中易影响力的传导，对于传感器类的精细构件，极易引起测量误差。日本立命馆大学Dzung等人于2006年通过微细加工方法制备了用于测量机器人手指力的微力传感器(参见“SIX-DEGREE OF FREEDOM MICRO FORCE-MOMENTSENSOR FOR APPLICATION IN GEOPHYSICS”2002年Proceedings of the IEEEInternational Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)·February2002，pp.312-315)，但压敏传感器测试过程中与力传导杆间安装繁琐及力的传导易受影响造成误差等问题，不适宜批量生产。
中国专利CN104729784 A公布了一种梁槽结合台阶式岛膜微压传感器芯片及制备方法，芯片包括基底中部的薄膜，四条浅槽沿着薄膜上部边缘分布，四条浮雕梁设置于相邻两条浅槽端部之间且与基底相连，浮雕梁的上表面、薄膜的上表面与浅槽的底面组成了梁槽结合台阶式薄膜结构，四个压敏电阻条布置在四条浮雕梁上，金属引线将压敏电阻条连接成半开环惠斯通电桥，电桥的输出端与焊盘连接；四个凸块沿薄膜下部边缘均匀分布，且与基底相连；四个质量块与凸块间隔有距离，凸块连接在薄膜上，制备方法是将SOI硅片高温氧化制作压敏电阻条，获得欧姆接触区制作金属引线和焊盘；然后制作四条浮雕梁及浅槽，最后将基底背面与防过载玻璃键合；但是该专利技术为传统压敏电阻结构，力直接作用于压敏电阻，限制了传感器的应用领域，降低了力传递的灵敏度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器及其加工方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器，包括敏感膜，该敏感膜包括中心板、连接于所述中心板四周的悬臂梁、设于所述悬臂梁上的压敏电阻，金属引线将所述压敏电阻相互连接形成惠斯登电桥；还包括与所述中心板一体连接的传力导杆。
所述传力导杆结构为圆柱形结构或方形结构。
所述悬臂梁包括与所述中心板边缘平行的承载梁和连接于所述承载梁和中心板之间的连接梁；所述压敏电阻设于所述承载梁上。
每个承载梁上分别设有两个压敏电阻。
所述承载梁上设有与所述压敏电阻位置匹配的接触孔，金属引线与所述压敏电阻在所述接触孔内形成欧姆接触。
本发明提供一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器的加工方法，其包括以下步骤：
压敏电阻加工：提供SOI硅片作为基板，在所述SOI硅片的正面单晶硅上加工出一层二氧化硅薄膜，并除去该二氧化硅薄膜上压敏电阻区的二氧化硅薄膜，对所述正面单晶硅顶部的压敏电阻区注入硼离子，获得P型压敏电阻；
金属引线加工步骤：在所述二氧化硅薄膜上开设接触孔，利用金属引线版在所述二氧化硅薄膜上配置金属引线，该金属引线与所述压敏电阻在所述接触孔内形成欧姆接触，并组成惠斯登电桥；
通过深反应离子刻蚀技术在所述SOI硅片的正面单晶硅进行刻蚀，以二氧化硅层为刻蚀停止层，在所述正面单晶硅形成中心板和悬臂梁结构；
刻蚀所述SOI硅片的背面单晶硅时，先在所述SOI硅片的背面单晶上制备金属铝层，再对所述背面单晶进行刻蚀。
通过深反应离子刻蚀技术在所述SOI硅片的背面单晶硅刻蚀，以二氧化硅层为刻蚀停止层，在所述背面单晶硅层形成传力导杆结构。
所述SOI硅片的厚度为500～2000μm；所述SOI硅片的正面单晶硅厚度为30-100μm；所述SOI硅片的背面单晶硅厚度为400-1000μm。
所述SOI硅片的单晶硅为N型单晶硅。
所述金属引线的材质为铝。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明在传统结构的基础上，通过对压敏传感器与力传导杆共同加工的方式实现了膜杆一体化，解决了压敏传感器测试过程中与传力导杆间安装繁琐的问题，简化了制备过程和安装过程；
(2)由于敏感膜和传力导杆一体化制造，避免二者之间的粘结质量不够造成里的传导的误差，进而提高了测量精度；
(3)本发明优化了悬臂梁的结构，将八个压敏电阻置于分别置于四个环绕在中心板四周的承载梁上，中心板通过连接梁带动承载梁发生形变，中心板上一体形成传力导杆，不需要再安装传力导杆，并且消除了安装误差，适合测量的领域变宽，如可以用此传感器来测量流体的流速或者安装在机器人的手指上可测量手指对物体的接触力。
(4)本发明的制备方法采用SOI硅片，制备过程简单，容易实施，适合批量生产。
附图说明
图1为本发明的正面结构示意图；
图2为本发明的背面结构示意图；
图3为本发明的加工过程示意图；
图中，1为传力导杆，2为压敏电阻，3为接触孔，4为悬臂梁，41为承载梁，42为连接梁，5为中心板，6为光刻胶，7为Si，8为SiO2，9为Al。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器，包括固定连接的敏感膜和传力导杆1。如图1所示，敏感膜包括中心板5、连接于所述中心板5四周的悬臂梁、设于所述悬臂梁4上的压敏电阻2，金属引线将所述压敏电阻相互连接形成惠斯登电桥；其中，如图1所示，悬臂梁4包括与中心板5边缘平行的四个承载梁41和连接于承载梁41和中心板5之间的连接梁42；每个承载梁41通过两个连接梁42与中心板5连接，每个四个承载梁41上分别设有两个压敏电阻2，因此本实施例中共有八个压敏电阻2；承载梁41上设有与压敏电阻2位置匹配的接触孔3，金属引线与压敏电阻2在所述接触孔3内形成欧姆接触。本实施例的敏感膜为采用材质为SOI(Silicon On Insulator)基板制备而成的，导线的材质为金属铝。
本实施例的中心板5一体连接方形结构传力导杆1，实现了膜杆一体化，如图2所示；在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量，因而传感器在测试过程中的准确性和精准度起着非常重要的作用。
本实施例的微力传感器是一种无需安装膜杆一体化传力导杆，旨在解决压敏传感器测试过程中易出现的一些问题。在传统结构的基础上，通过对压敏传感器与力传导杆共同加工的方式实现了膜杆一体化，解决了压敏传感器测试过程中与力传导杆间安装繁琐及力的传导易受影响造成误差等问题。本发明结构简单、操作方便、实用性强，为压敏传感器与力传导杆的连接提供了一种新的方法，同时提高了压敏传感器的精准度和准确性。
现有技术中的微力传感器通常仅为敏感膜，例如中国专利CN104729784A中的微压传感器芯片，该微压传感器芯片属于传统压敏电阻结构，由于缺失传力导杆，使得力直接作用于压敏电阻，限制了传感器的应用领域；并且相比于通过传力导杆对敏感膜进行作用，力直接作用到敏感膜上，灵敏度不高；该芯片仅能测量Z方向的压力，不能实现x方向和y方向的测量，测量范围较窄。
为了实现六个方向的精确测量，本发明优化了悬臂梁的结构，将八个压敏电阻置于分别置于四个环绕在中心板5四周的承载梁上，中心板5通过连接梁带动承载梁发生形变，中心板上一体形成传力导杆，不需要再安装传力导杆，并且消除了安装误差，适合测量的领域变宽，如可以用此传感器来测量流体的流速或者安装在机器人的手指上可测量手指对物体的接触力。
实施例2
本实施例提供一种制造实施例1结构的微力传感器的方法，加工过程如图3所示，该方法包括以下步骤：
1、压敏电阻2的加工
选取一块1mm厚的SOI硅片，对其进行清洗和烘干处理，该硅片包括厚度为30μm的正面单晶硅、二氧化硅埋层和950μm背面单晶硅，其中单晶硅均为N型单晶硅，如图3(a)所示的Si 7-SiO2 8-Si 7的结构，对其进行清洗和烘干处理；在SOI硅片的正面单晶硅上通过热氧化方法加工形成0.3um二氧化硅薄膜，如图3(b)所示的SiO2 8结构；利用压敏电阻板，对二氧化硅薄膜光刻出压敏电阻区，除去该二氧化硅薄膜上压敏电阻区的二氧化硅薄膜，暴露出压敏电阻区的正面单晶硅，对压敏电阻区的正面单晶硅进行硼离子注入得到P型压敏电阻，如图3(c)所示，二氧化硅薄膜表面具有光刻胶6层。
2、金属引线加工
在二氧化硅薄膜上开设接触孔3，形成5umx5um欧姆接触孔；在二氧化硅薄膜上真空镀铝膜，形成0.3um厚的铝薄膜，利用紫外光刻技术以及金属引线版，光刻出宽为5um的铝导线作为金属引线，该金属引线与压敏电阻2在接触孔3内形成欧姆接触，并组成惠斯登电桥。
3、通过深反应离子刻蚀技术DRIE在SOI硅片的正面单晶硅进行刻蚀，以二氧化硅层为刻蚀停止层，在正面单晶硅形成中心板5和悬臂梁4结构，其中悬臂梁的长×宽×高的尺寸为500x100x40um。
4、通过深反应离子刻蚀技术在SOI硅片的背面单晶硅刻蚀，在SOI硅片的背面单晶上制备金属铝层，即Al 9结构，再对背面单晶进行刻蚀，如图3(d)所示，通过光刻技术在金属铝层上形成传力导杆的图案，并在SOI硅片的正面结构上形成光刻胶保护膜，如图3(e)所示，以二氧化硅层为刻蚀停止层，在背面单晶硅层形成传力导杆1结构，如图3(f)所示，去除光刻胶，得到传力导杆1的长×宽×高的尺寸为0.3x0.3x1mm，如图3(g)所示。
本实施例的制备方法采用SOI硅片，制备过程简单，容易实施，适合批量生产。
实施例3
本实施例为一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器，其主体结构与实施例1的主体结构相同，不同之处在于，传力导杆为圆柱形结构。
其制备过程采用的SOI硅片规格参数为：SOI硅片厚度为0.5mm，正面单晶硅厚度为30μm，背面单晶硅厚度为400μm。
实施例4
本实施例为一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器，其主体结构与实施例1的主体结构相同，不同之处在于，传力导杆为圆柱形结构。
其制备过程采用的SOI硅片规格参数为：SOI硅片厚度为2mm，正面单晶硅厚度为100μm，背面单晶硅厚度为1000μm。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器，包括敏感膜，该敏感膜包括中心板(5)、连接于所述中心板(5)四周的悬臂梁、设于所述悬臂梁(4)上的压敏电阻(2)，金属引线将所述压敏电阻相互连接形成惠斯登电桥；其特征在于，
还包括与所述中心板(5)一体连接的传力导杆(1)；
所述悬臂梁(4)包括与所述中心板(5)边缘平行的承载梁(41)和连接于所述承载梁和中心板(5)之间的连接梁(42)；所述压敏电阻(2)设于所述承载梁上并与连接梁(42)相对设置。
2.根据权利要求1所述的一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器，其特征在于，所述传力导杆(1)结构为圆柱形结构或方形结构。
3.根据权利要求1所述的一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器，其特征在于，每个承载梁上分别设有两个压敏电阻(2)。
4.根据权利要求1所述的一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器，其特征在于，所述承载梁(41)上设有与所述压敏电阻(2)位置匹配的接触孔(3)，金属引线与所述压敏电阻(2)在所述接触孔(3)内形成欧姆接触。
5.一种如权利要求1所述的敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
压敏电阻(2)加工：提供SOI硅片作为基板，在所述SOI硅片的正面单晶硅上加工出一层二氧化硅薄膜，并除去该二氧化硅薄膜上压敏电阻(2)区的二氧化硅薄膜，对所述正面单晶硅顶部的压敏电阻(2)区注入硼离子，获得P型压敏电阻；
金属引线加工：在所述二氧化硅薄膜上开设接触孔(3)，利用金属引线版在所述二氧化硅薄膜上配置金属引线，该金属引线与所述压敏电阻(2)在所述接触孔(3)内形成欧姆接触，并组成惠斯登电桥；
通过深反应离子刻蚀技术在所述SOI硅片的正面单晶硅进行刻蚀，以二氧化硅层为刻蚀停止层，在所述正面单晶硅形成中心板(5)和悬臂梁(4)结构；
通过深反应离子刻蚀技术在所述SOI硅片的背面单晶硅刻蚀，以二氧化硅层为刻蚀停止层，在所述背面单晶硅层形成传力导杆(1)结构。
6.根据权利要求5所述的一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器的加工方法，其特征在于，刻蚀所述SOI硅片的背面单晶硅时，先在所述SOI硅片的背面单晶上制备金属铝层，再对所述背面单晶进行刻蚀。
7.根据权利要求5所述的一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器的加工方法，其特征在于，所述SOI硅片的厚度为500～2000μm；所述SOI硅片的正面单晶硅厚度为30～100μm；所述SOI硅片的背面单晶硅厚度为400～1000μm。
8.根据权利要求5所述的一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器的加工方法，其特征在于，所述SOI硅片的单晶硅为N型单晶硅。
9.根据权利要求5所述的一种敏感膜和传力导杆一体化的微力传感器的加工方法，其特征在于，所述金属引线的材质为铝。
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