CN115856360A - 一种微型变刚度悬臂梁结构、制备方法及传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型变刚度悬臂梁结构、制备方法及传感器，本发明本发明微型变刚度悬臂梁的制备方法可实现变刚度悬臂梁结构的精确制备，可通过调节前后悬臂梁结构的尺寸来调节刚度，以调节完整悬臂梁结构的动态检测范围和灵敏度，可以有效解决现有技术中仅通过改变单级悬臂梁的尺寸无法实现光反射式传感器灵敏度与量程两项指标的双提升的问题。通过本发明中的微纳加工方式可实现变刚度微悬臂梁的微型化、按需可控制备，进一步拓宽了悬臂梁传感器的应用范围并为光反射式传感器微型化奠定坚实基础。本发明可通过改变现有变刚度悬臂梁结构，如在悬臂顶部制备针尖结构，进一步拓展应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种微型变刚度悬臂梁结构、制备方法及传感器。
背景技术
原子力显微镜(AFM)是一种具有原子级别高分辨率的新型表面分析仪器，它不但能像扫描隧道显微镜(STM)那样观察导体和半导体材料的表面现象，而且能用来观察诸如玻璃、陶瓷等非导体表面的微观结构。
原子力显微镜是利用一个对力敏感的探针针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的。参照图1，将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触，由于针尖原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力，微悬臂会发生微小的弹性形变，打在悬臂的激光会发生偏转，通过光电转换，将光信号转换为电信号，从而实现样品表面成像，其精度可达到纳米级别。
受原子力探针检测原理启发，基于悬臂式光学检测的传感器，探测原理为敏感悬臂梁受外部环境变化(如加速度)发生弹性形变，经过悬臂反射的激光继而发生偏转，从而通过光电转换，可实现外部环境信息的电学信号提取。但是目前通用的探测悬臂厚度均一，其整体弹性形变无法达到数量级的差异，从而造成基于这种探测方式的传感器无法实现跨量级的动态范围检测。
目前基于悬臂式光反射原理的传感器中，大都处在理论验证和原理样机搭建的阶段，体积较大。参照图2，其原理主要是将外部光束照射到悬臂中，通过悬臂与外置反射镜的多次反射实现驱动位移的放大。
在对比文件“高精度光杠杆式微加速度计的研究[D],浙江大学，2007”中，模型系统中由矩形钢片构成悬臂梁。平面镜粘贴在铝块上,二者共同构成质量块。平面镜同时还是位移检测系统的一部分。悬臂梁一端固定在底板上的支架上，另一端是自由端，粘贴质量块。
在对比文件“On the design of piezoresistive silicon cantilevers withstress concentration regions for scanning probe microscopy applications[J]2000”中，通过硅外延工艺制备出底部较薄的压阻式悬臂，可以增加压阻式悬臂的探测灵敏度。
参照图3，在对比文件“梯形变截面悬臂梁式微质量传感器设计与分析[J]2012”中，悬臂梁材质为高弹簧钢薄片，压电层为PZT-5，通过线切割工艺制备。
可见，现有的大多数变截面微悬臂厚度一致，尺寸主要在长宽方向变化，受力时悬臂梁无法实现跨数量级弹性变形，导致敏感单元动态测量范围较小，无法实现灵敏度与检测范围的双提升。
目前基于光反射原理的感知元件不是基于微纳加工工艺制备，如现有光杠杆式加速度计，其悬臂感知单元体积较大，无法实现传感器的微型化制备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种微型化、灵敏度高、动态检测范围可调的微型变刚度悬臂梁的制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种微型变刚度悬臂梁的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一双埋层SOI基底；
S2、在所述双埋层SOI基底上形成第一光刻胶层，对所述第一光刻胶层进行光刻；
S3、将所述第一光刻胶层作为保护层，对所述双埋层SOI基底进行刻蚀以制备出前端悬臂梁结构，并去除所述第一光刻胶层；
S4、提供一硅片，将所述硅片与所述前端悬臂梁结构键合；
S5、将所述双埋层SOI基底的底部减薄至所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层；
S6、在所述硅片上制备第一氮化硅层，在所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层背面制备第二氮化硅层；
S7、在所述第一氮化硅层上形成第二光刻胶层，对所述第二光刻胶层进行光刻；
S8、将所述第二光刻胶层作为保护层，将所述第一氮化硅层和硅片腐蚀至所述双埋层SOI基底顶部的氧化硅层以制备出后端悬臂梁结构和悬臂梁支撑结构，并去除所述第二光刻胶层；所述后端悬臂梁结构的刚度高于所述前端悬臂梁结构的刚度，所述后端悬臂梁结构的厚度大于所述前端悬臂梁结构的厚度；
S9、去除掉所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层、所述后端悬臂梁结构上方的氧化硅层和所述硅片上剩余的氮化硅层，完成悬臂梁的释放，形成完整悬臂梁结构；
S10、在所述完整悬臂梁结构上沉积金属反射层。
在本发明的一个实施例中，还包括以下步骤：
通过调节所述前端悬臂梁结构的长度、厚度和宽度调节所述前端悬臂梁结构的刚度，通过调节所述后端悬臂梁结构的长度、厚度和宽度调节所述后端悬臂梁结构的刚度，以调节所述完整悬臂梁结构的动态检测范围和灵敏度。
在本发明的一个实施例中，在步骤S4中，通过键合胶将所述硅片与所述前端悬臂梁结构键合。
在本发明的一个实施例中，步骤S6中，通过低压力化学气相沉积法在所述硅片上和所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层背面制备氮化硅层。
在本发明的一个实施例中，步骤S8中，将所述第二光刻胶层作为保护层，通过KOH溶液或TMAH溶液将所述硅片上的氮化硅层和硅片腐蚀至所述双埋层SOI基底的第二氧化硅层以制备出后端悬臂梁结构和悬臂梁支撑结构。
在本发明的一个实施例中，步骤S9中，通过化学腐蚀的方式去除掉所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层、所述后端悬臂梁结构上方的氧化硅层和所述硅片上剩余的氮化硅层。
在本发明的一个实施例中，所述双埋层SOI基底包括从上之下依次堆叠的第一氧化硅层、第一单晶硅层、第二氧化硅层、第二单晶硅层、第三氧化硅层和第三单晶硅层。
在本发明的一个实施例中，所述硅片的晶向为<100>。
本发明还提供一种微型变刚度悬臂梁结构，其采用上述任一所述的微型变刚度悬臂梁的制备方法制备得到。
本发明还提供一种传感器，包括激光器和激光位移传感器，其还包括上述微型变刚度悬臂梁结构，所述激光器用于向所述前端悬臂梁结构或后端悬臂梁结构发射激光，所述激光位移传感器用于接收所述前端悬臂梁结构或后端悬臂梁结构反射的激光。
本发明的有益效果：
本发明微型变刚度悬臂梁的制备方法可实现变刚度悬臂梁结构的精确制备，可通过调节前后悬臂梁结构的尺寸来调节刚度，以调节完整悬臂梁结构的动态检测范围和灵敏度，可以有效解决现有技术中仅通过改变单级悬臂梁的尺寸无法实现光反射式传感器灵敏度与量程两项指标的双提升的问题。
通过本发明中的微纳加工方式可实现变刚度微悬臂梁的微型化、按需可控制备，进一步拓宽了悬臂梁传感器的应用范围并为光反射式传感器微型化奠定坚实基础。
本发明可通过改变现有变刚度悬臂梁结构，如在悬臂顶部制备针尖结构，进一步拓展应用范围。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是现有原子力显微镜的原理图；
图2是现有基于悬臂式光反射原理的传感器的示意图；
图3是现有梯形变截面悬臂梁式微质量传感器的示意图；
图4是本发明实施例一中微型变刚度悬臂梁的制备方法的流程图；
图5是本发明实施例一中微型变刚度悬臂梁的制备方法的示意图；
图6是本发明实施例三中传感器的示意图。
标记说明：
1、悬臂梁支撑结构；2、后端悬臂梁结构；3、前端悬臂梁结构；4、激光位移传感器；5、激光器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
如图4-5所示，本实施例公开了一种微型变刚度悬臂梁的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、提供一双埋层SOI基底；参照图5中(a)图，所述双埋层SOI基底包括从上之下依次堆叠的第一氧化硅层、第一单晶硅层、第二氧化硅层、第二单晶硅层、第三氧化硅层和第三单晶硅层。
步骤S2、在所述双埋层SOI基底上形成第一光刻胶层，对所述第一光刻胶层进行光刻；参照图5中(b)图。
步骤S3、将所述第一光刻胶层作为保护层，对所述双埋层SOI基底进行刻蚀以制备出前端悬臂梁结构，并去除所述第一光刻胶层；参照图5中(c)图。
步骤S4、提供一硅片，将所述硅片与所述前端悬臂梁结构键合；参照图5中(d)图，(d)图中顶层即为硅片。具体地，通过键合胶将所述硅片与所述前端悬臂梁结构键合。
步骤S5、将所述双埋层SOI基底的底部减薄至所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层；参照图5中(e)图。
步骤S6、在所述硅片上制备第一氮化硅层，在所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层背面制备第二氮化硅层；参照图5中(f)图。具体地，通过低压力化学气相沉积法(LPCVD)在所述硅片上和所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层背面制备氮化硅层。可选地，所述硅片的晶向为<100>。
步骤S7、在所述第一氮化硅层上形成第二光刻胶层，对所述第二光刻胶层进行光刻；参照图5中(g)图。
步骤S8、将所述第二光刻胶层作为保护层，将所述第一氮化硅层和硅片腐蚀至所述双埋层SOI基底顶部的氧化硅层以制备出后端悬臂梁结构和悬臂梁支撑结构，并去除所述第二光刻胶层；所述后端悬臂梁结构的刚度高于所述前端悬臂梁结构的刚度，所述后端悬臂梁结构的厚度大于所述前端悬臂梁结构的厚度；参照图5中(h)图。可选地，将所述第二光刻胶层作为保护层，通过KOH溶液或TMAH溶液等将所述硅片上的氮化硅层和硅片腐蚀至所述双埋层SOI基底的第二氧化硅层以制备出后端悬臂梁结构和悬臂梁支撑结构。
步骤S9、去除掉所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层、所述后端悬臂梁结构上方的氧化硅层和所述硅片上剩余的氮化硅层，完成悬臂梁的释放，形成完整悬臂梁结构；参照图5中(i)图。可选地，通过化学腐蚀的方式去除掉所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层、所述后端悬臂梁结构上方的氧化硅层和所述硅片上剩余的氮化硅层。
步骤S10、在所述完整悬臂梁结构上沉积金属反射层，以提高反光效率；参照图5中(j)图。
进一步地，还包括以下步骤：
通过调节所述前端悬臂梁结构的长度、厚度和宽度调节所述前端悬臂梁结构的刚度，通过调节所述后端悬臂梁结构的长度、厚度和宽度调节所述后端悬臂梁结构的刚度，以调节所述完整悬臂梁结构的动态检测范围和灵敏度。具体地，在微型变刚度悬臂梁制备前，即根据目标微型变刚度悬臂梁的动态检测范围和灵敏度计算需要的前端悬臂梁结构的长度、厚度和宽度以及后端悬臂梁结构的长度、厚度和宽度，并根据计算得到的前端悬臂梁结构的长度、厚度和宽度以及后端悬臂梁结构的长度、厚度和宽度制备前端悬臂梁结构和后端悬臂梁结构。可选地，通过多次实验获取不同前端悬臂梁结构的长度、厚度和宽度以及后端悬臂梁结构的长度、厚度和宽度对应的完整悬臂梁结构的动态检测范围和灵敏度。
本发明微型变刚度悬臂梁的制备方法可实现变刚度悬臂梁结构的精确制备，可通过调节前后悬臂梁结构的尺寸来调节刚度，以调节完整悬臂梁结构的动态检测范围和灵敏度，可以有效解决现有技术中仅通过改变单级悬臂梁的尺寸无法实现光反射式传感器灵敏度与量程两项指标的双提升的问题。
通过本发明中的微纳加工方式可实现变刚度微悬臂梁的微型化、按需可控制备，进一步拓宽了悬臂梁传感器的应用范围并为光反射式传感器微型化奠定坚实基础。
本发明可通过改变现有变刚度悬臂梁结构，如在悬臂顶部制备针尖结构，进一步拓展应用范围。
实施例二
本实施例公开了一种微型变刚度悬臂梁结构，其采用实施例一中的微型变刚度悬臂梁的制备方法制备得到，其结构可参照图6，包括悬臂梁支撑结构1、后端悬臂梁结构2和前端悬臂梁结构3。其中，所述后端悬臂梁结构2的刚度高于所述前端悬臂梁结构3的刚度，所述后端悬臂梁结构2的厚度大于所述前端悬臂梁结构3的厚度。
实施例三
参照图6，本实施例公开了一种传感器，包括激光器5和激光位移传感器4，其还包括实施例二中的微型变刚度悬臂梁结构，所述激光器5用于向所述前端悬臂梁结构3或后端悬臂梁结构2发射激光，所述激光位移传感器4用于接收所述前端悬臂梁结构3或后端悬臂梁结构2反射的激光。当悬臂梁受外部环境变化(如加速度)发生弹性形变，经过悬臂梁反射的激光继而发生偏转，从而通过光电转换，可实现外部环境信息的电学信号提取。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种微型变刚度悬臂梁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、提供一双埋层SOI基底；
S2、在所述双埋层SOI基底上形成第一光刻胶层，对所述第一光刻胶层进行光刻；
S3、将所述第一光刻胶层作为保护层，对所述双埋层SOI基底进行刻蚀以制备出前端悬臂梁结构，并去除所述第一光刻胶层；
S4、提供一硅片，将所述硅片与所述前端悬臂梁结构键合；
S5、将所述双埋层SOI基底的底部减薄至所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层；
S6、在所述硅片上制备第一氮化硅层，在所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层背面制备第二氮化硅层；
S7、在所述第一氮化硅层上形成第二光刻胶层，对所述第二光刻胶层进行光刻；
S8、将所述第二光刻胶层作为保护层，将所述第一氮化硅层和硅片腐蚀至所述双埋层SOI基底顶部的氧化硅层以制备出后端悬臂梁结构和悬臂梁支撑结构，并去除所述第二光刻胶层；所述后端悬臂梁结构的刚度高于所述前端悬臂梁结构的刚度，所述后端悬臂梁结构的厚度大于所述前端悬臂梁结构的厚度；
S9、去除掉所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层、所述后端悬臂梁结构上方的氧化硅层和所述硅片上剩余的氮化硅层，完成悬臂梁的释放，形成完整悬臂梁结构；
S10、在所述完整悬臂梁结构上沉积金属反射层。
2.如权利要求1所述的微型变刚度悬臂梁的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：
通过调节所述前端悬臂梁结构的长度、厚度和宽度调节所述前端悬臂梁结构的刚度，通过调节所述后端悬臂梁结构的长度、厚度和宽度调节所述后端悬臂梁结构的刚度，以调节所述完整悬臂梁结构的动态检测范围和灵敏度。
3.如权利要求1所述的微型变刚度悬臂梁的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，通过键合胶将所述硅片与所述前端悬臂梁结构键合。
4.如权利要求1所述的微型变刚度悬臂梁的制备方法，其特征在于，步骤S6中，通过低压力化学气相沉积法在所述硅片上和所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层背面制备氮化硅层。
5.如权利要求1所述的微型变刚度悬臂梁的制备方法，其特征在于，步骤S8中，将所述第二光刻胶层作为保护层，通过KOH溶液或TMAH溶液将所述硅片上的氮化硅层和硅片腐蚀至所述双埋层SOI基底的第二氧化硅层以制备出后端悬臂梁结构和悬臂梁支撑结构。
6.如权利要求1所述的微型变刚度悬臂梁的制备方法，其特征在于，步骤S9中，通过化学腐蚀的方式去除掉所述前端悬臂梁结构下方的氧化硅层、所述后端悬臂梁结构上方的氧化硅层和所述硅片上剩余的氮化硅层。
7.如权利要求1所述的微型变刚度悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述双埋层SOI基底包括从上之下依次堆叠的第一氧化硅层、第一单晶硅层、第二氧化硅层、第二单晶硅层、第三氧化硅层和第三单晶硅层。
8.如权利要求1所述的微型变刚度悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述硅片的晶向为<100>。
9.一种微型变刚度悬臂梁结构，其特征在于，采用如权利要求1-8任一所述的微型变刚度悬臂梁的制备方法制备得到。
10.一种传感器，包括激光器和激光位移传感器，其特征在于，还包括如权利要求9所述的微型变刚度悬臂梁结构，所述激光器用于向所述前端悬臂梁结构或后端悬臂梁结构发射激光，所述激光位移传感器用于接收所述前端悬臂梁结构或后端悬臂梁结构反射的激光。
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