一種微機(jī)械位移傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種微機(jī)械位移傳感器，是一種基于微機(jī)械加工技術(shù)制造的具有移動 部件的位移傳感器結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 位移傳感器應(yīng)用十分廣泛，比如在需要建立和維護(hù)位置偏置與容差的工程應(yīng)用 中。位移傳感器也稱為線性傳感器，它把位移量轉(zhuǎn)換為電量，從而實現(xiàn)對位移量的測量。位 移傳感器分為電位器式、自感式、電容式、光柵式和霍爾效應(yīng)等類型。電位器式位移傳感器 又分為繞線式電位器位移傳感器和非繞線式電位器位移傳感器。繞線式位移傳感器存在摩 擦和磨損、有階梯誤差、分辨率低和壽命短等缺點，同時在微小尺寸下電阻絲不易繞制在絕 緣骨架中，增加了加工的難度。非繞線式電位器位移傳感器是在絕緣基片上制成各種薄膜 元件，分辨率較高、壽命長，耐磨且易校準(zhǔn)，但傳統(tǒng)的非繞線式電位器位移傳感器體積較大。 隨著微加工工藝的發(fā)展，傳統(tǒng)的電位器式位移傳感器體積較大，采用微加工技術(shù)降低器件 的尺寸是目前技術(shù)革新的努力方向。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 技術(shù)問題:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種微機(jī)械位移傳感器 及其制造方法，具有結(jié)構(gòu)小巧、分辨率高，批量制造一致性好等特點。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] :為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種微機(jī)械位移傳感器，該傳感器 包括襯底基板、電阻線、第一焊盤和第二焊盤、終端擋板、第一固定壁和第二固定壁、接觸電 極、滑塊、磁性材料、磁體、金屬導(dǎo)線和第三焊盤；
[0005] 襯底基板包括正面和與正面相對設(shè)置的背面；
[0006] 襯底基板正面分為左右兩個區(qū)域，
[0007] 左邊區(qū)域設(shè)有第一焊盤、第二焊盤和第三焊盤，還設(shè)有終端擋板；
[0008] 右邊區(qū)域設(shè)有滑塊以及固定滑塊的第一固定壁和第二固定壁；
[0009] 滑塊包括上邊框、下邊框和連接上邊框和下邊框的的連接框，上邊框、下邊框和連 接框形成空間，且該空間開口朝向左邊區(qū)域;第一固定壁和第二固定壁分別固定在上邊框 和下邊框;磁性材料覆蓋于滑塊上邊框、下邊框和連接框的內(nèi)表面;接觸電極設(shè)置在滑塊的 空間內(nèi)，且靠近開口處；
[0010]磁體放置在襯底基板的背面。
[0011]優(yōu)選的，襯底基板表面微電絕緣，電阻線和金屬導(dǎo)線為同種材料。
[0012 ]本發(fā)明還提供了 一種微機(jī)械位移傳感器的制造方法，該方法包括如下步驟：
[0013] 步驟1:選擇絕緣體上的硅作為起始硅片，通過背面光刻和等離子干法刻蝕將底部 刻淺槽；
[0014] 步驟2:磁控濺射鈦和金，并光刻形成接觸電極；
[0015] 步驟3:采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝對背面進(jìn)行深槽刻蝕，一直到界面的氧化硅層停 止；
[0016] 步驟4:玻璃基板作為襯底基板，在表面濺射鈦、鉑和金，然后光刻形成電阻線、金 屬導(dǎo)線、及第一焊盤、第二焊盤和第三焊盤；
[0017] 步驟5:將SOI硅片和玻璃基板進(jìn)行陽極鍵合；
[0018] 步驟6:硅片正面進(jìn)行反應(yīng)離子干法刻蝕硅膜，到界面氧化硅停止；
[0019] 步驟7:磁控濺射金屬鎳并刻蝕形成磁性材料，然后腐蝕氧化硅，釋放滑塊部分；
[0020] 步驟8:劃片后在每個襯底背面貼磁體即完成器件芯片級封裝部分。
[0021] 有益效果：1)本發(fā)明提出的微機(jī)械位移傳感器，采用磁力保證接觸電極和電阻的 緊密接觸，可靠性好;2)整個傳感器采用微機(jī)械加工實現(xiàn)，可以一次批量制造，一致性好且 成本低;3)采用非繞線式電位器位移結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，分辨率較高、壽命長，耐磨;利用磁體 和磁性材料間的吸引力，接觸板和電阻條接觸良好，抗干擾能力強(qiáng);結(jié)構(gòu)微小，便于集成;可 采用體硅微機(jī)械加工技術(shù)，工藝可靠、批量制造容易且成本低；以硅為襯底，且加工方法和 半導(dǎo)體工藝兼容，便于與測量電路集成，可實現(xiàn)自動測量和較高的精度。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明剖面示意圖。
[0024]圖3a為硅襯底底部淺槽刻槽示意圖。
[0025]圖3b為接觸電極形成示意圖。
[0026]圖3c為深槽刻蝕示意圖。
[0027]圖3d為玻璃上結(jié)構(gòu)形成示意圖。
[0028]圖3e為玻璃和硅陽極鍵合示意圖。
[0029]圖3f為正面硅膜刻蝕示意圖。
[0030]圖中，襯底基板1、電阻線2、焊盤21和22、終端擋板3、L型固定壁41和42、接觸電極 5、滑塊6、磁性材料7、磁體8、金屬導(dǎo)線9和焊盤91。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0032] 本發(fā)明提供的微機(jī)械位移傳感器，參見圖1，該傳感器包括襯底基板1、電阻線2、第 一焊盤21和第二焊盤22、終端擋板3、第一固定壁41和第二固定壁42、接觸電極5、滑塊6、磁 性材料7、磁體8、金屬導(dǎo)線9和第三焊盤91;
[0033]襯底基板1包括正面和與正面相對設(shè)置的背面；
[0034]襯底基板1正面分為左右兩個區(qū)域，
[0035] 左邊區(qū)域設(shè)有第一焊盤21、第二焊盤22和第三焊盤91，還設(shè)有終端擋板3;
[0036]右邊區(qū)域設(shè)有滑塊6以及固定滑塊6的第一固定壁41和第二固定壁42;
[0037] 滑塊6包括上邊框、下邊框和連接上邊框和下邊框的的連接框，上邊框、下邊框和 連接框形成空間，且該空間開口朝向左邊區(qū)域;第一固定壁41和第二固定壁42分別固定在 上邊框和下邊框;磁性材料層7覆蓋于滑塊6上邊框、下邊框和連接框的內(nèi)表面;接觸電極5 設(shè)置在滑塊6的空間內(nèi)，且靠近開口處；
[0038] 磁體8放置在襯底基板1的背面。
[0039] 襯底基板表面微電絕緣，電阻線2和金屬導(dǎo)線9為同種材料。
[0040] -種微機(jī)械位移傳感器，如附圖1和2所示，傳感器由襯底基板1、電阻線2、焊盤21 和22、終端擋板3、L型固定壁41和42、接觸電極5、滑塊6、磁性材料7、磁體8、金屬導(dǎo)線9和焊 盤91組成。襯底材料1為表面絕緣的平坦材料，例如帶有氧化膜的硅片，其上表面設(shè)有帶焊 盤21和22的電阻線2,及金屬導(dǎo)線9和焊盤91。在焊盤21和22的外側(cè)的襯底1上設(shè)有終端擋板 3,以防止滑塊6從電阻線焊盤上方滑出襯底之外?；瑝K6為矩形框結(jié)構(gòu)，為導(dǎo)體材料，其上表 面覆蓋磁性材料層7,例如金屬鎳薄膜。在滑塊的兩側(cè)，各有一個L型固定壁41和42擋住滑塊 6,該固定壁41和42和襯底牢固粘結(jié)，上方的橫條防止滑塊6離面脫離襯底1。磁體8放置在襯 底材料1的背面，通過對滑塊6表面的磁性材料7產(chǎn)生磁吸力，使滑塊6固定在襯底表面，同時 保證滑塊上的接觸電極5和電阻線2和金屬導(dǎo)線9緊密接觸。
[0041] 該傳感器工作時，襯底1固定在工件1上，滑塊6-端固定在工件2上，當(dāng)工件2相對 于工件1產(chǎn)生位移，將帶動滑塊6沿電阻線2方向產(chǎn)生移動，設(shè)焊盤21接電壓V，焊盤22接地 線，電阻線2的總電阻為R，接觸電極5和電阻線2的接觸點到焊盤22之間的電阻為Rx，則焊盤 vJS.Vi· 91的電壓由于RX隨滑塊6移動而變化，因此輸出電壓Vo也將反映實際位移的大 小。
[0042] -種微機(jī)械位移傳感器，如附圖1和2所示，傳感器由襯底基板1、電阻線2、焊盤21 和22、終端擋板3、L型固定壁41和42、接觸電極5、滑塊6、磁性材料7、磁體8、金屬導(dǎo)線9和焊 盤91組成?；瑝K6相對襯底1沿電阻線2方向位移，將改變接觸電極5和電阻線的接觸位置，導(dǎo) 致焊盤9輸出的電阻或電壓隨位移位置而變，從而敏感位移的大小。
[0043]該傳感器的制備方法如下：
[0044] 1)選擇絕緣體上的硅（SOI)作為起始硅片，通過背面光刻和等離子干法刻蝕將底 部刻淺槽(圖3a);
[0045] 2)磁控濺射鈦和金，并光刻形成接觸電極5(圖3b);
[0046] 3)采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝對背面進(jìn)行深槽刻蝕，一直到界面的氧化硅層停止 (圖 3c);
[0047] 4)玻璃基板作為襯底基板1，在表面濺射鈦、鉑和金，然后光刻形成電阻線2、金屬 導(dǎo)線9、及焊盤21、21和91 (圖3d);
[0048] 5)將SOI硅片和玻璃基板進(jìn)行陽極鍵合(圖3e);
[0049] 6)硅片正面進(jìn)行反應(yīng)離子干法刻蝕硅膜，到界面氧化硅停止(圖3f);
[0050] 7)磁控濺射金屬鎳，并刻蝕出圖1的形狀，然后腐蝕氧化硅，釋放滑塊6部分。到此 完成整個器件的工藝。
[0051] 8)劃片后在每個襯底背面貼磁體8即完成器件芯片級封裝部分。
【主權(quán)項】
1. 一種微機(jī)械位移傳感器，其特征在于，該傳感器包括襯底基板（1)、電阻線（2)、第一 焊盤（21)和第二焊盤（22)、終端擋板（3)、第一固定壁(41)和第二固定壁(42)、接觸電極 (5)、滑塊(6)、磁性材料(7)、磁體(8)、金屬導(dǎo)線(9)和第三焊盤(91); 襯底基板（1)包括正面和與正面相對設(shè)置的背面； 襯底基板（1)正面分為左右兩個區(qū)域， 左邊區(qū)域設(shè)有第一焊盤(21)、第二焊盤(22)和第三焊盤(91)，還設(shè)有終端擋板(3); 右邊區(qū)域設(shè)有滑塊(6)以及固定滑塊(6)的第一固定壁(41)和第二固定壁(42); 滑塊(6)包括上邊框、下邊框和連接上邊框和下邊框的的連接框，上邊框、下邊框和連 接框形成空間，且該空間開口朝向左邊區(qū)域;第一固定壁(41)和第二固定壁(42)分別固定 在上邊框和下邊框;磁性材料層(7)覆蓋于滑塊(6)上邊框、下邊框和連接框的內(nèi)表面;接觸 電極(5)設(shè)置在滑塊(6)的空間內(nèi)，且靠近開口處； 磁體(8)放置在襯底基板(1)的背面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述微機(jī)械位移傳感器，其特征在于，襯底基板表面微電絕緣，電阻 線(2)和金屬導(dǎo)線(9)為同種材料。3. -種微機(jī)械位移傳感器的制造方法，其特征在于，該方法包括如下步驟： 步驟1:選擇絕緣體上的硅作為起始硅片，通過背面光刻和等離子干法刻蝕將底部刻淺 槽； 步驟2:磁控濺射鈦和金，并光刻形成接觸電極(5); 步驟3:采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝對背面進(jìn)行深槽刻蝕，一直到界面的氧化硅層停止； 步驟4:玻璃基板作為襯底基板（1)，在表面濺射鈦、鉑和金，然后光刻形成電阻線（2)、 金屬導(dǎo)線(9)、及第一焊盤(21)、第二焊盤(22)和第三焊盤(91); 步驟5:將SOI硅片和玻璃基板進(jìn)行陽極鍵合； 步驟6:硅片正面進(jìn)行反應(yīng)離子干法刻蝕硅膜，到界面氧化硅停止； 步驟7:磁控濺射金屬鎳并刻蝕形成磁性材料(7)，然后腐蝕氧化硅，釋放滑塊(6)部分； 步驟8:劃片后在每個襯底背面貼磁體(8)即完成器件芯片級封裝部分。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種微機(jī)械位移傳感器及其制造方法，該傳感器包括襯底基板(1)、電阻線(2)、第一焊盤(21)和第二焊盤(22)、終端擋板(3)、第一固定壁(41)和第二固定壁(42)、接觸電極(5)、滑塊(6)、磁性材料(7)、磁體(8)、金屬導(dǎo)線(9)和第三焊盤(91)；襯底基板(1)包括正面和與正面相對設(shè)置的背面；襯底基板(1)正面分為左右兩個區(qū)域，左邊區(qū)域設(shè)有第一焊盤(21)、第二焊盤(22)和第三焊盤(91)，還設(shè)有終端擋板(3)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)小巧、分辨率高，批量制造一致性好等特點。
【IPC分類】G01B7/02
【公開號】CN105547125
【申請?zhí)枴緾N201610035620
【發(fā)明人】秦明, 王慶賀, 穆林, 葉一舟, 高磬雅
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2016年1月19日