專利名稱：三維微力硅微傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅微傳感器，特別涉及一種基于探針形式的三維 半導(dǎo)體壓阻式微力硅微傳感器。
背景技術(shù)：
在微操作及微力測量過程中，如夾持、搬遷細胞和納米電極等， 被操作對象或傳感器本身的一些特征，如位移、操作力等通常為微/ 納米、微牛甚至納牛量級的物理量，若不能夠了解和掌握微操作過程 中的這些物理量，很可能會對被操作的對象或傳感器本身造成損壞， 另外實現(xiàn)操作過程中的在線測量，對微操作的量化指標(biāo)監(jiān)測具有重要的作用。隨著MEMS技術(shù)和微機械技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，器件朝著 微型化和集成化方向發(fā)展，而微力傳感器的研究也成為一個重要的課 題。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，單一方向的力測量已經(jīng)不能滿足各方面的 需求，力傳感器正朝著三維方向發(fā)展。三維微力的測量和傳感技術(shù)在 機器人觸覺、微納器件的裝配、細胞操作以及微制作技術(shù)、生物技術(shù) 等領(lǐng)域中具有廣泛的運用并得到了世界各國的廣泛關(guān)注，己成為國內(nèi) 外研究的熱點。雖然力傳感器的發(fā)展迅速，但是絕大部分多維力傳感 器由于運用場合和加工結(jié)構(gòu)的限制，測量力一般在牛頓范圍，缺少測 量微牛量級作用微力的能力；而大多數(shù)MEMS探針微力傳感器受到 微懸臂梁結(jié)構(gòu)的限制，雖然可以達到測量微牛量級作用力的能力，但往往只具有測量單維，二維微作用力的能力。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，基于MEMS體硅 制造工藝，結(jié)合微納力學(xué)操作及三維傳感器的測量需要，以微牛級微 力檢測為目標(biāo)，研制了一種四懸臂梁結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體壓阻式集成化三維 微力硅微傳感器，能夠感知x、 y和z三個方向的微力和相應(yīng)微位移。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的三維微力硅微傳感器，包括一 玻璃基底1，玻璃基底1上配置有相互垂直的四個單端固支硅懸臂梁 4，懸臂梁4支撐著中間的質(zhì)量懸塊5，質(zhì)量懸塊5上配置有微力學(xué) 探針3，四個懸臂梁4上還各配置有一組壓阻條2，四組壓阻條2配 置成惠斯通電橋。本發(fā)明也可以在玻璃基底1上配置一硅側(cè)壁6，硅側(cè)壁6的中間 配置有相互垂直的四個單端固支硅懸臂梁4，懸臂梁4支撐著中間的 質(zhì)量懸塊5，質(zhì)量懸塊5的厚度小于硅側(cè)壁6的厚度，從而使鍵合的 玻璃基底1和活動的質(zhì)量懸塊5之間留出了一定的活動空間。X方向力測量電路由Rxl， Rx2， Rx3, Rx4四個電阻組成惠斯通測 量電橋,Y方向力測量電路由Ry 1, Ry2, Ry3, Ry4四個電阻組成惠斯通 測量電橋，Z方向力測量電路由Rzl, Rz2， Rz3, Rz4四個電阻組成惠 斯通登測量電橋。懸臂梁4的硅基采用(100)晶面硅，壓阻條2的方向沿[110]或 [lTo]晶向。探針3采用階梯結(jié)構(gòu)形式。本發(fā)明以MEMS體硅壓阻工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合微力學(xué)探針與 四懸臂硅梁支撐結(jié)構(gòu)的特點，制作一種基于微力學(xué)探針形式，具有uN級三維微力測量和傳感能力的半導(dǎo)體壓阻式三維微力硅微集成傳感器。該傳感器集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換檢測于一體，具有靈敏度高、 動態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化的特點。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2是微力學(xué)探針3的測量結(jié)構(gòu)圖。 圖3是懸臂梁4上壓阻條2的布置圖。圖4是懸臂梁4的受力變形示意圖，其中圖4(a)為微力學(xué)探針3 受到X (或Y)方向作用力和位移時，懸臂梁4受力變形狀態(tài)，圖 4(b)為微力學(xué)探針3受到Z方向的力和位移作用時，懸臂梁4受力狀態(tài)。圖5是懸臂梁4的受力變形應(yīng)力圖，其中，圖5(a)是對應(yīng)圖4(a) 受力作用下懸臂梁4上的應(yīng)力分布狀態(tài)，圖5(b)是對應(yīng)圖4(b)受力作 用下懸臂梁4上的應(yīng)力分布狀態(tài)，另外，圖中，橫坐標(biāo)代表懸臂梁到 左端外壁的距離，縱坐標(biāo)代表懸臂梁所受的應(yīng)力值。圖6是壓阻條2上x, y, z方向的惠斯通電橋示意圖，其中，圖6(a) 是敏感x方向力的惠斯通電橋，圖6(b)是敏感y方向力的惠斯通電橋， 圖6(c)是敏感z方向力的惠斯通電橋。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作詳細說明。參見圖1，本發(fā)明主要包括微力學(xué)探針和四懸臂梁結(jié)構(gòu)的三維力 轉(zhuǎn)化平臺兩部分。其具體結(jié)構(gòu)是三維微力硅微傳感器，包括一玻璃 基底1，玻璃基底1上配置一硅側(cè)壁6，硅側(cè)壁6的中間配置有相互 垂直的四個單端固支硅懸臂梁4，懸臂梁4支撐著中間的質(zhì)量懸塊5，質(zhì)量懸塊5上配置有微力學(xué)探針3，四個懸臂梁4上還各配置有一組 壓阻條2，四組壓阻條2上配置成惠斯通電橋。質(zhì)量懸塊5的厚度小 于硅側(cè)壁6的厚度，從而使鍵合的玻璃基底1和活動的質(zhì)量懸塊5之 間留出了一定的活動空間，保證了本發(fā)明的正常工作，同時能提供本 發(fā)明的高過載限位保護。參見圖2，本發(fā)明的工作原理是微力學(xué)探針3與被測對象7的 接觸，被測微力通過剛性的微力學(xué)探針3傳遞到三維力轉(zhuǎn)化平臺的四 個懸臂梁4上，懸臂梁4的變形導(dǎo)致懸臂梁4上的壓阻條2的電阻值 改變，通過由四個壓阻條2上構(gòu)成的惠斯通電橋?qū)㈦娮柚档母淖冝D(zhuǎn)化 為電壓的輸出，從而完成力-電信號的轉(zhuǎn)變。為了較好的利用壓阻效 應(yīng)和提高測量靈敏度，懸臂梁4的硅基采用(100)晶面硅，壓阻條 2的方向沿[110]或[lTo]晶向。微力學(xué)探針3是本發(fā)明與被測對象7接觸并傳遞力學(xué)信號的重要 部件。微力學(xué)探針3通過膠結(jié)的方式與四懸臂梁結(jié)構(gòu)的中心質(zhì)量塊5 連接構(gòu)成三維微力傳感器，微力學(xué)探針3的探測端與被測對象7接觸， 感受受力狀態(tài)。為了保證測量精度，設(shè)計的微力學(xué)探針3的結(jié)構(gòu)要保 證微力學(xué)探針3既具有微小尺度結(jié)構(gòu)，同時具備一定的剛度特性。力 學(xué)探針的優(yōu)化設(shè)計主要包括兩個相互限制的目標(biāo)約束為保證外界作用力從探針3盡量傳遞到三維力轉(zhuǎn)化平臺的懸臂梁4上，必須盡量減 少力學(xué)探針3的變形，提高力學(xué)探針3的剛度；但為保證三維力學(xué)的 測量靈敏度和微尺度下的精確操作，盡量增加力學(xué)探針3的長度和減 小針尖的尺度，這樣又減小了力學(xué)探針的剛度，因此在力學(xué)探針設(shè)計中必須綜合考慮這兩種約束和加工工藝條件，優(yōu)化力學(xué)探針3的相關(guān) 參數(shù)，如圖2和圖3所示，探針3采用階梯結(jié)構(gòu)形式，探針底部的較 大尺寸增加了探針3的剛度。參見圖3，本發(fā)明是在單個MEMS器件上通過四懸臂梁的微結(jié) 構(gòu)集成制造相對獨立的測量電路，以獲得三微力與傳感器之間的相對 獨立的測量技術(shù)，提高三維微力傳感器之間抗干擾的能力。具體方法 就是在四懸臂梁的微結(jié)構(gòu)上通過壓敏電阻的優(yōu)化布置和惠斯通電橋 的設(shè)計將外部作用力轉(zhuǎn)化并解耦為X,Y,Z方向的電信號，同時獲得最 大的靈敏度和最小的X,Y,Z各軸的交叉干擾。測量電路的壓阻電阻條 在懸臂梁上的布置，在橫向上布置有Rxl Rx4四個電阻條，在縱向 上布置有Ryl Ry4和Rzl Rz4八個電阻條。Rxl， Rx2, Rx3, Rx4四個 電阻組成惠斯通電橋測量x方向力，Ryl, Ry2, Ry3, Ry4四個電阻組 成惠斯通電橋測量y方向力，Rzl， Rz2, Rz3, Rz4四個電阻組成惠斯 通電橋測量z方向力。當(dāng)探針受到外界力或位移的作用時，會使懸臂 梁4發(fā)生形變，在懸臂梁4上產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力變化導(dǎo)致電阻條的阻值 發(fā)生變化，最后由惠斯通電橋輸出相應(yīng)電壓的變化。參見圖4、圖5，圖4(a)為微力學(xué)探針3受到X (或Y)方向作 用力和位移時，懸臂梁4受力變形狀態(tài)。圖4(b)為微力學(xué)探針3受到Z方向的力和位移作用時，懸臂梁4受力狀態(tài)。圖5(a)、 5(b)是對應(yīng) 受力作用下懸臂梁4上的應(yīng)力分布狀態(tài)。正是由于懸臂梁4受到X(或 Y)方向和Z方向作用力和位移時，在懸臂梁4上產(chǎn)生的應(yīng)力分布的 差異，結(jié)合惠斯通測量電橋的測量特點，通過壓阻條2的組橋方式， 來區(qū)分或提高各方向的測量精度。由圖5懸臂梁4的應(yīng)力分布可以知道，通過合理的布置壓阻參數(shù) 和組橋方式，可以盡量消除作用力或位移之間的相互干擾。圖6是懸臂梁上壓阻條2的X、 Y和Z方向惠斯通測量電橋的示 意圖。X方向力測量電路由Rxl， Rx2, Rx3, Rx4四個電阻組成惠斯 通測量電橋，Y方向力測量電路由Ryl， Ry2， Ry3， Ry4四個電阻組成 惠斯通測量電橋，Z方向力測量電路由Rzl， Rz2， Rz3， Rz4四個電 阻組成惠斯通測量電橋。
權(quán)利要求
1、三維微力硅微傳感器，包括一玻璃基底(1)，其特征是，玻璃基底(1)上配置有相互垂直的四個單端固支硅懸臂梁(4)，懸臂梁(4)支撐著中間的質(zhì)量懸塊(5)，質(zhì)量懸塊(5)上配置有微力學(xué)探針(3)，四個懸臂梁(4)上還各配置有一組壓阻條(2)，四組壓阻條(2)配置成惠斯通電橋。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微力硅微傳感器，其特征是，所 說的玻璃基底(1)上配置一硅側(cè)壁(6)，硅側(cè)壁(6)的中間配置有 相互垂直的四個單端固支硅懸臂梁(4)，懸臂梁(4)支撐著中間的 質(zhì)量懸塊(5)，質(zhì)量懸塊(5)的厚度小于硅側(cè)壁(6)的厚度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維微力硅微傳感器，其特征是， X方向力測量電路由Rxl， Rx2, Rx3， Rx4四個電阻組成惠斯通測量電 橋，Y方向力測量電路由Ryl,Ry2,Ry3,Ry4四個電阻組成惠斯通測量 電橋，Z方向力測量電路由Rzl， Rz2, Rz3, &4四個電阻組成惠斯通 登測量電橋。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維微力硅微傳感器，其特征是， 懸臂梁(4)的硅基采用(100)晶面硅，壓阻條2的方向沿[110]或[1 To]晶向。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維微力硅微傳感器，其特征是， 探針(3)采用階梯結(jié)構(gòu)形式。
全文摘要
三維微力硅微傳感器，包括一玻璃基底1，玻璃基底1上配置有相互垂直的四個單端固支硅懸臂梁4，懸臂梁4支撐著中間的質(zhì)量懸塊5，質(zhì)量懸塊5上配置有微力學(xué)探針3，四個懸臂梁4上還各配置有組壓阻條2，四個壓阻條2配置成惠斯通電橋。該傳感器集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)換檢測于一體，具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化的特點。
文檔編號G01L1/18GK101308051SQ20081015021
公開日2008年11月19日 申請日期2008年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月1日
發(fā)明者川 楊, 林啟敬, 王鑫垚, 蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波 申請人:西安交通大學(xué)