专利名称：基于mems的二维压阻式微力传感器的制作方法
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。


图1是本发明整体结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
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I为矩形框架且固定支架I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I内，检测直梁2的两端与固定支架I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和祐1架4-3构成,第一直梁4-1的一端与祐1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I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(IOO)型硅片为原材料，厚度为300 μ m，电阻率为I 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O. 3μπι的二氧化硅。3、第一次光刻技术，使用I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(IOO)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I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I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。
权利要求
1.一种基于MEMS的二维压阻式微力传感器，其特征在于所述传感器包括固定支架 (I)、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(I)为矩形框架且固定支架(I)的一对平行边框中的一个上开有第二通孔(1-1)，检测直梁⑵和二个半折叠梁⑷均设在固定支架⑴内，检测直梁⑵的两端与固定支架(I)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(I)的外部，检测直梁⑵、外伸梁⑶和二个半折叠梁⑷连接制成一体，外伸梁⑶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。
2.根据权利要求1所述基于MEMS的二维压阻式微力传感器，其特征在于第二压阻(6) 的长度小于应力方孔(3-1)的长度。
全文摘要
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。
文档编号G01L1/18GK103033296SQ20121058960
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者荣伟彬, 周杰, 李东洁, 王乐锋, 张世忠 申请人:哈尔滨工业大学