CN1693864A - 基于微机电系统的力敏器件 - Google Patents
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Abstract
一种基于微机电系统的力敏器件。本发明由硅衬底、引脚、曲折状三明治结构软磁多层膜力敏器件和硅悬臂梁组成，引脚从力敏器件两端的铜层引出，并设置在带SiO2层的硅悬臂梁上，曲折状三明治结构软磁多层膜力敏器件位于硅悬臂梁上，硅悬臂梁与硅衬底相连。本发明具有高的灵敏度和响应速度快等优点，具有广泛的用途。薄膜材料可以与大规模集成电路完全兼容，易于大批量生产，重复性好；避免了采用非晶丝和薄带作为力敏材料时器件易碎、器件性能重复性差和加工困难及批量化等带来的问题；大大提高了多层膜的SI效应及力敏器件的灵敏度；可实现加速度、压力、振动等的检测；方便实现滤波、调谐、振荡等。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电系统领域的器件，具体是一种基于微机电系统的力敏器件。
背景技术
随着微电子技术和微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，目前市场上大部分力敏器件采用电阻应变片和硅压阻效应膜片制作。电阻应变计体积较小，但应变因子在2左右，灵敏度很差，在使用时需将其粘结在弹性体上，而且电阻应变计的温度稳定性较差，大大限制了它的应用范围。基于半导体硅压阻效应膜片型结构的压阻式传感器是目前应用最为广泛的力敏器件，其应变因子一般在200左右，优点是体积小、成本低、灵敏度高及便于同计算机相连，最大缺点是温度稳定性较差及易碎等。应力阻抗(Stress-impedance，简写SI)效应是近几年在钴基非晶丝中研究发现的一种新的磁效应，即非晶丝的交流阻抗在外力的作用下而发生显著的变化，称为应力阻抗效应。作为应力阻抗效应的钴基非晶丝材料，其应变因子在1260-4000，是目前硅压力传感器的6-20倍，利用SI效应可检测各种力学量如力、力矩、压力、振动等，具有高灵敏度、响应速度快等优点。
经文献检索发现，日本的K.Mohri等(K.Mohri，T.Uchiyama，L.P.Shen，C.M.Cai，L.V.Panina，Y.Honkura，and M.Yamamoto)在《IEEE TRANSACTION ONMAGNETICS》(VOL.38，NO.5，pp.3063-3068，SEPTEMBER，2002)上发表了“Amorphous wire and CMOS IC-based sensitive micromagnetic sensors utilizingmagnetoimpedance(MI)and stress-impedance(SI)effects(美国电气电子工程学会)”一文，该文提及了基于钴基非晶丝应力阻抗效应的新型力敏传感器如加速传感器、振动传感器等。作者采用钴基非晶丝作为力敏元件，用环氧胶树脂将钴基非晶丝粘贴于厚度为0.16mm的玻璃基片，制成悬臂梁结构，在悬臂梁的一端放置0.1克的质量块，另一端连接CMOS控制电路，由此构成了应力阻抗加速传感器。
国家非晶微晶合金工程技术研究中心(安泰科技股份有限公司)的D.R.Li等(D.R.Li，Z.C.Lu，S.X.Zhou，J.F.Zhang，H.Liu and W.Han)在《CHINESEPHYSICS LETTER(VOL.19，NO.7，pp.1000-1001，2002)上发表了“Giantstress-impedance effect in amorphous and high-current-density electropulsing annealedFe73.5Cu1Nb3Si13.5B9ribbons(中国物理快报)”，提及了Fe基纳米晶成份的丝材和带材中的应力阻抗效应，其应变因子高达5000以上。相对于薄膜而言，丝和带材比较容易制备，在其中易于形成理想的磁各向异性，可以获得较为理想的敏感性能。但器件结构比较复杂，制备工艺繁复，丝和薄带在电路中的焊接、安装困难、丝和薄带容易破碎等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于微机电系统的力敏器件，使其能够实现整个传感器的薄膜化、小型化，并具有高的灵敏度和响应速度快，温度稳定性好。薄膜易于大批量生产，重复性好。而且，与声表面波技术结合，可构成无线被动式传感器，用于检测有害环境下或运动物体与应力/应变相关物理量的测量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由硅衬底、引脚、曲折状三明治结构软磁多层膜和硅悬臂梁组成，引脚从力敏器件两端的铜层引出，并设置在带SiO2层的硅悬臂梁上，曲折状三明治结构软磁多层膜位于硅悬臂梁上，硅悬臂梁与硅衬底相连。
所述的曲折状三明治结构软磁多层膜由中间的铜层、铜层外围包裹的FeCuNbSiB薄膜构成的曲折状三明治结构，中间铜层的宽度小于FeCuNbSiB薄膜。
所述的FeCuNbSiB薄膜的宽度为1～3mm。
所述的中间铜层宽度为0.1～2mm。
进一步的，处于中间铜层上层和下层的FeCuNbSiB薄膜的厚度相同，均为2～6μm，中间铜层厚度为2～6μm，长度在10～20mm。
本发明的力敏器件的制作方法采用薄膜技术和微机电系统(MEMS)技术，对双面氧化的硅片进行处理，得到双面套刻对准符号，以便曝光时提高对准精度；采用薄膜制备技术和微电镀技术制备纳米晶成份的曲折状三明治结构软磁多层膜材料；采用物理刻蚀技术去除底层，避免湿法刻蚀工艺带来的钻蚀现象；采用专用化学配方湿法刻蚀纳米晶成份的曲折状三明治结构软磁多层膜，形成力敏器件；采用硅湿法刻蚀技术形成力敏器件的微结构。
本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：
(1)本发明改变了传统采用电阻应变片和硅压阻效应方法制作力敏器件，而采用纳米晶成份的软磁多层膜材料与MEMS技术制作力敏器件，具有高的灵敏度和响应速度快等优点，具有广泛的用途。薄膜材料可以与大规模集成电路完全兼容，易于大批量生产，重复性好，又可以通过不同结构来提高其性能；
(2)本发明采用纳米晶成份软磁多层膜材料，可以获得很好的SI效应，避免了采用非晶丝和薄带作为力敏材料时器件易碎、器件性能重复性差和加工困难及批量化等带来的问题；
(3)本发明改变了传统直线型薄膜结构，而是采用曲折状三明治结构多层膜，可以大大提高多层膜的SI效应及力敏器件的灵敏度；
(4)本发明可以通过改变纳米晶成份软磁薄膜和铜层的宽度及厚度来提高SI效应，进而提高力敏器件的灵敏度；
(5)本发明采用硅悬臂梁结构，可以实现加速度、压力、振动等的检测；
(6)本发明采用交流驱动方式，可以方便实现滤波、调谐、振荡等。
附图说明
图1为本发明的曲折状三明治结构(FeCuNbSiB/Cu/FeCuNbSiB)多层膜的结构示意俯视图。
其中：1为FeCuNbSiB薄膜，2为铜层，3为硅衬底，4为引脚。
图2为本发明的曲折状三明治结构(FeCuNbSiB/Cu/FeCuNbSiB)软磁多层膜的结构示意侧视图。
其中：1为FeCuNbSiB薄膜，2为铜层，3为硅衬底。
图3为本发明的曲折状三明治结构(FeCuNbSiB/Cu/FeCuNbSiB)软磁多层膜的力敏器件的结构示意图。
其中：3为硅衬底，5为曲折状三明治结构软磁多层膜，6为硅悬臂梁。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体结构进一步的描述。
如图1-3所示，本发明由硅衬底3、引脚4、曲折状三明治结构软磁多层膜5和硅悬臂梁6组成，引脚4从力敏器件两端的铜层2引出，并设置在带SiO2层的硅悬臂梁6上，曲折状三明治结构软磁多层膜5位于硅悬臂梁6上，硅悬臂梁6与硅衬底3相连。
所述的曲折状三明治结构软磁多层膜5由中间的铜层2、铜层2外围包裹的FeCuNbSiB薄膜1构成的曲折状三明治结构，铜层2的宽度小于FeCuNbSiB薄膜1的宽度。
所述的FeCuNbSiB薄膜1的宽度为1～3mm。
所述的中间铜层2的宽度为0.1～2mm。
处于中间铜层2上层和下层的FeCuNbSiB薄膜1的厚度相同，均为2～6μm，铜层2厚度为2～6μm，长度在10～20mm。
Claims (5)
1、一种基于微机电系统的力敏器件，其特征在于，由硅衬底(3)、引脚(4)、曲折状三明治结构软磁多层膜(5)和硅悬臂梁(6)组成，引脚(4)从力敏器件两端的铜层(2)引出，并设置在带SiO2层的硅悬臂梁(6)上，曲折状三明治结构软磁多层膜(5)位于硅悬臂梁(6)上，硅悬臂梁(6)与硅衬底(3)相连。
2、如权利要求1所述的基于微机电系统的力敏器件，其特征是，所述的曲折状三明治结构软磁多层膜(5)由中间的铜层(2)、铜层(2)外围包裹的FeCuNbSiB薄膜(1)构成的曲折状三明治结构，中间铜层(2)的宽度小于FeCuNbSiB薄膜(1)的宽度。
3、如权利要求2所述的基于微机电系统的力敏器件，其特征是，所述的FeCuNbSiB薄膜(1)的宽度为1～3mm。
4、如权利要求1所述的基于微机电系统的力敏器件，其特征是，所述的铜层(2)的宽度为0.1～2mm。
5、如权利要求2或者4所述的基于微机电系统的力敏器件，其特征是，处于中间所述的铜层(2)上层和下层的FeCuNbSiB薄膜(1)的厚度相同，均为2～6μm，中间铜层(2)厚度为2～6μm，长度在10～20mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200510026604 CN1693864A (zh) | 2005-06-09 | 2005-06-09 | 基于微机电系统的力敏器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200510026604 CN1693864A (zh) | 2005-06-09 | 2005-06-09 | 基于微机电系统的力敏器件 |
Publications (1)
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| CN1693864A true CN1693864A (zh) | 2005-11-09 |
Family
ID=35352933
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| CN 200510026604 Pending CN1693864A (zh) | 2005-06-09 | 2005-06-09 | 基于微机电系统的力敏器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1693864A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100425524C (zh) * | 2006-01-13 | 2008-10-15 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 硅微机械悬臂梁驱动结构、制作方法及应用 |
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2005
- 2005-06-09 CN CN 200510026604 patent/CN1693864A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100425524C (zh) * | 2006-01-13 | 2008-10-15 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 硅微机械悬臂梁驱动结构、制作方法及应用 |
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