基于MEMS的二维压阻式微力传感器

摘要

基于MEMS的二维压阻式微力传感器，它涉及一种微力传感器。该传感器解决目前一维微力传感器无法同时检测操作工具与基底之间接触力及操作工具与操作对象之间作用力的问题。检测直梁侧壁的两端各设一个第一压阻，二个半折叠梁沿外伸梁的中心轴线对称设置且第一直梁的另一端与外伸梁连接，外伸梁的一端与检测直梁中部的侧壁连接且二者垂直设置，外伸梁的另一端作为自由端穿过第一直梁、第一通孔和第二通孔设在固定支架的外部，检测直梁、外伸梁和二个半折叠梁连接制成一体，外伸梁沿其长度方向开有应力方孔，外伸梁上表面设有两个第二压阻，每个第二压阻位于应力方孔的孔壁与外伸梁的外侧壁之间。本发明用于微纳米操作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微力传感器。

背景技术

当前纳米技术已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光 学以及国防等等，纳米操作技术是纳米技术的基础，随着纳米技术的快速发展，越来越多 的应用领域需要多维高分辨率的微力传感器。目前纳米操作领域中应用的传感器多为一维 高分辨率传感器，主要形式有压阻式、电容式、光学式等，这类传感器主要用来完成操作 工具与基底之间的接触检测。在纳米操作过程中，为了提高工作效率、保护操作工具，不 仅需要检测操作工具与基底之间接触力，同时还需要检测操作工具与操作对象之间作用力。 一维高分辨率微力传感难以完成这一任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于MEMS的二维压阻式微力传感器，以解决目前一维微力传 感器无法同时检测操作工具与基底之间接触力及操作工具与操作对象之间作用力的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述传感器包括固定支架、检测直梁、 外伸梁、锚点、二个半折叠梁、二个第一压阻和二个第二压阻，固定支架为矩形框架且固 定支架的一对平行边框中的一个上开有第二通孔，检测直梁和二个半折叠梁均设在固定支 架内，检测直梁的两端与固定支架固接且平行于开有第二通孔的边框，检测直梁侧壁的两 端各设一个第一压阻，每个半折叠梁由第一直梁、第二直梁和桁架构成，第一直梁的一端 与桁架的一端连接且二者垂直设置，桁架的另一端与第二直梁的一端连接且第一直梁和第 二直梁平行设置，二个半折叠梁沿外伸梁的中心轴线对称设置且第一直梁的另一端与外伸 梁连接，第二直梁的长度小于第一直梁的长度，二个第二直梁之间形成第一通孔，第二直 梁的另一端通过相对应的锚点与开有第二通孔的边框连接，外伸梁的一端与检测直梁中部 的侧壁连接且二者垂直设置，外伸梁的另一端作为自由端穿过第一直梁、第一通孔和第二 通孔设在固定支架的外部，检测直梁、外伸梁和二个半折叠梁连接制成一体，外伸梁沿其 长度方向开有应力方孔，应力方孔的一端位于第一直梁和外伸梁连接处，应力方孔的另一 端靠近外伸梁的自由端，外伸梁上表面设有两个第二压阻，每个第二压阻位于应力方孔的 孔壁与外伸梁的外侧壁之间，第二压阻的内侧壁与应力方孔的孔壁之间相距3-5微米。

本发明具有以下有益效果：本发明将能够实现二维(X轴与Z轴方向)力检测的敏感 压阻集成到一个结构中，使传感器结构更为紧凑，便于安装调试。本发明的基于MEMS的 二维微力传感器结构，具有高结构灵敏度、高频响(可达几十kHz)、高可靠性、体积小、 抗干扰能力等优点，可实现(X轴和Z轴方向)二维力同时检测，本发明的MEMS的二维 微力传感器装置可以实现(X、Y和Z轴方向)三维力的硬件解耦，可以有效提高装置力 检测的分辨率。

本发明的基于MEMS的二维微力传感器结构具有结构简单、易于加工、体积小、结构 灵敏高、硬件解耦、能够同时实现二维力检测的优点。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的所述传感器包括固定支架 1、检测直梁2、外伸梁3、锚点7、二个半折叠梁4、二个第一压阻5和二个第二压阻6， 固定支架1为矩形框架且固定支架1的一对平行边框中的一个上开有第二通孔1-1，检测 直梁2和二个半折叠梁4均设在固定支架1内，检测直梁2的两端与固定支架1固接且平 行于开有第二通孔1-1的边框，检测直梁2侧壁的两端各设一个第一压阻5，每个半折叠 梁4由第一直梁4-1、第二直梁4-2和桁架4-3构成，第一直梁4-1的一端与桁架4-3的 一端连接且二者垂直设置，桁架4-3的另一端与第二直梁4-2的一端连接且第一直梁4-1 和第二直梁4-2平行设置，二个半折叠梁4沿外伸梁3的中心轴线对称设置且第一直梁 4-1的另一端与外伸梁3连接，第二直梁4-2的长度小于第一直梁4-1的长度，二个第二 直梁4-2之间形成第一通孔4-4，第二直梁4-2的另一端通过相对应的锚点7与开有第二 通孔1-1的边框连接，外伸梁3的一端与检测直梁2中部的侧壁连接且二者垂直设置，外 伸梁3的另一端作为自由端穿过第一直梁4-1、第一通孔4-4和第二通孔1-1设在固定支 架1的外部，检测直梁2、外伸梁3和二个半折叠梁4连接制成一体，外伸梁3沿其长度 方向开有应力方孔3-1，应力方孔3-1的一端位于第一直梁4-1和外伸梁3连接处，应力 方孔3-1的另一端靠近外伸梁3的自由端，外伸梁3上表面设有两个第二压阻6，每个第 二压阻6位于应力方孔3-1的孔壁与外伸梁3的外侧壁之间，第二压阻6的内侧壁与应力 方孔3-1的孔壁之间相距3-5微米。

制造方法如下：1、采用双面抛光N(100)型硅片为原材料，厚度为300μm，电阻率为 1～8Ω·cm，<110>晶向切边清楚，硅片打标，然后利用标准清洗工艺清洗硅片；

2、将上述硅片送入氧化炉进行热氧化，在硅片的双面生长厚度为0.3μm的二氧化硅。

3、第一次光刻技术，使用1号光刻版光刻出压阻图形，图形的线条与<110>晶向一致， 完成光刻后，用等离子灰化系统打底膜，放入BOE溶液中腐蚀去除未被光刻胶保护的二氧 化硅层，形成硼离子注入区域。

4、利用二氧化硅和光刻胶作为掩膜进行硼离子注入。

5、利用等离子去除光刻胶，高温浓硫酸进一步清洗光刻胶，用去离子水清洗后甩干， 在经过退火形成压阻。

6、第二次光刻，光刻出引线孔图形，等离子灰化系统打底膜后，利用BOE溶液腐蚀 露出引孔。

7、去除光刻胶，用1∶50的氢氟酸溶液DIP清洗，再用去离子水清洗甩干，溅射铝薄 膜，第三次光刻，利用3号版光刻焊盘和铝引线图形，利用光刻胶作为掩膜，采用离子束 刻蚀工艺加工焊盘和引线。

8、光刻背面释放窗口，双面对准光刻背面释放窗口，第四次光刻，用光刻机对准光 刻背面释放窗口结构，由于背面结构刻蚀较深，采用深度离子刻蚀技术，为防止碎片，在 正面贴一片清洁的硅片保护。用台阶仪测量刻蚀深度，检查无误后，用丙酮将背片泡开。

9、释放结构光刻，正面光刻出传感器器结构图形，利用深度离子刻蚀工艺刻蚀侧壁 压阻及其它结构得到传感器结构。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第二压阻6的长度小于应 力方孔3-1的长度，应力更加集中分布在应力方孔3-1的根部。其它实施方式与具体实施 方式一相同。

工作原理：本发明采用MEMS体加工工艺和面加工工艺结合加工结构，使用N(100)型 硅片为原材料，利用氧化、湿法腐蚀、离子注入、扩散、溅射、深度离子刻蚀等技术，加 工传感器结构。检测直梁2的两端点与固定支架1相连作为支撑部件，位于检测直梁2 根部的第一压阻5用于实现X轴方向的力检测。二个半折叠梁4的一端通过锚点7与固定 支架1相连作为支撑部件，半折叠梁4的另一端与外伸梁3连接作为外伸梁3的支撑点。 外伸梁3固定端与直梁2连接于直梁2的中部，外伸梁3的自由端作为传感器的检测端。 应力方孔3-1实现Z轴方向应力集中，第二压阻6用于实现Z轴方向的力检测。

在小变形条件下合理选择参数，检测直梁2、半折叠梁4在Y轴向具有很强的刚度， 在X轴方向具有很好柔性，通过检测直梁2与半折叠梁4组合，既可以实现二维微力传感 器结构在X轴向具有高结构灵敏度，又可以实现X、Y轴向的结构解耦；由于硅具有各向 异性，第一压阻5对于Z轴向的力不敏感，利用这一特性可实现X轴向与Z轴向之间的力 解耦。同理第一压阻5对Y轴向的力不敏感，可以实现Z轴与Y轴之间的力解耦；在小变 形条件下，外伸梁3沿X轴向可以等效为刚体，可以实现Z轴与X轴之间的力解耦。在外 伸梁3上引入应力方孔3-1可以实现应力集中，提高结构在Z轴方向灵敏度，进而提高结 构Z轴方向力分辨率；在X轴方向采用侧壁压阻技术，使压阻分布于应力集中区，可有效 提高结构在X轴方向的分辨率。

工作时，外伸梁3加载X方向的载荷时，检测直梁2与半折叠梁4产生形变，应力集 中去分布在检测直梁2的根部，检测直梁2上的第一电阻5与补偿电阻构成惠斯通电桥产 生相应输出信号，这种情况下外伸梁3可以等效为刚体，应力值很小可以忽略，位于其上 压阻值无变化，其所在的惠斯通电桥输出为零；当外伸梁3加载Z方向的载荷时，外伸梁 3产生形变，通过在外伸梁3上引入应力方孔3-1，应力集中分布在应力方孔3-1的根部， 检测直梁2上的第一压阻5对此方向上力不敏感，在应力值很小可情况下可以忽略，外伸 梁3上的第二压阻6与补偿电阻构成惠斯通电桥产生相应输出信号。

由于X、Y、Z三轴方向可以通过上述结构解耦，因此可以同时实现X、Z轴向同时检 查，即可以同时测量操作工具与操作对象之间的作用力及操作工具与基地之间接触力。