[发明专利]三维微力硅微传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅微传感器，特别涉及一种基于探针形式的三维半导体压阻式微力硅微传感器。

背景技术

在微操作及微力测量过程中，如夹持、搬迁细胞和纳米电极等，被操作对象或传感器本身的一些特征，如位移、操作力等通常为微/纳米、微牛甚至纳牛量级的物理量，若不能够了解和掌握微操作过程中的这些物理量，很可能会对被操作的对象或传感器本身造成损坏，另外实现操作过程中的在线测量，对微操作的量化指标监测具有重要的作用。随着MEMS技术和微机械技术领域的快速发展，器件朝着微型化和集成化方向发展，而微力传感器的研究也成为一个重要的课题。随着检测技术的发展，单一方向的力测量已经不能满足各方面的需求，力传感器正朝着三维方向发展。三维微力的测量和传感技术在机器人触觉、微纳器件的装配、细胞操作以及微制作技术、生物技术等领域中具有广泛的运用并得到了世界各国的广泛关注，已成为国内外研究的热点。虽然力传感器的发展迅速，但是绝大部分多维力传感器由于运用场合和加工结构的限制，测量力一般在牛顿范围，缺少测量微牛量级作用微力的能力；而大多数MEMS探针微力传感器受到微悬臂梁结构的限制，虽然可以达到测量微牛量级作用力的能力，但往往只具有测量单维，二维微作用力的能力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，基于MEMS体硅制造工艺，结合微纳力学操作及三维传感器的测量需要，以微牛级微力检测为目标，研制了一种四悬臂梁结构的半导体压阻式集成化三维微力硅微传感器，能够感知x、y和z三个方向的微力和相应微位移。

本发明的技术方案是这样实现的：三维微力硅微传感器，包括一玻璃基底1，玻璃基底1上配置有相互垂直的四个单端固支硅悬臂梁4，悬臂梁4支撑着中间的质量悬块5，质量悬块5上配置有微力学探针3，四个悬臂梁4上还各配置有一组压阻条2，四组压阻条2配置成惠斯通电桥。

本发明也可以在玻璃基底1上配置一硅侧壁6，硅侧壁6的中间配置有相互垂直的四个单端固支硅悬臂梁4，悬臂梁4支撑着中间的质量悬块5，质量悬块5的厚度小于硅侧壁6的厚度，从而使键合的玻璃基底1和活动的质量悬块5之间留出了一定的活动空间。

X方向力测量电路由Rx1，Rx2，Rx3，Rx4四个电阻组成惠斯通测量电桥，Y方向力测量电路由Ry1，Ry2，Ry3，Ry4四个电阻组成惠斯通测量电桥，Z方向力测量电路由Rz1，Rz2，Rz3，Rz4四个电阻组成惠斯通登测量电桥。

悬臂梁4的硅基采用(100)晶面硅，压阻条2的方向沿[110]或[110]晶向。

探针3采用阶梯结构形式。

本发明以MEMS体硅压阻工艺技术为基础，结合微力学探针与四悬臂硅梁支撑结构的特点，制作一种基于微力学探针形式，具有uN级三维微力测量和传感能力的半导体压阻式三维微力硅微集成传感器。该传感器集应力敏感与力电转换检测于一体，具有灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化的特点。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是微力学探针3的测量结构图。

图3是悬臂梁4上压阻条2的布置图。

图4是悬臂梁4的受力变形示意图，其中图4(a)为微力学探针3受到X(或Y)方向作用力和位移时，悬臂梁4受力变形状态，图4(b)为微力学探针3受到Z方向的力和位移作用时，悬臂梁4受力状态。

图5是悬臂梁4的受力变形应力图，其中，图5(a)是对应图4(a)受力作用下悬臂梁4上的应力分布状态，图5(b)是对应图4(b)受力作用下悬臂梁4上的应力分布状态，另外，图中，横坐标代表悬臂梁到左端外壁的距离，纵坐标代表悬臂梁所受的应力值。

图6是压阻条2上x，y，z方向的惠斯通电桥示意图，其中，图6(a)是敏感x方向力的惠斯通电桥，图6(b)是敏感y方向力的惠斯通电桥，图6(c)是敏感z方向力的惠斯通电桥。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细说明。

参见图1，本发明主要包括微力学探针和四悬臂梁结构的三维力转化平台两部分。其具体结构是：三维微力硅微传感器，包括一玻璃基底1，玻璃基底1上配置一硅侧壁6，硅侧壁6的中间配置有相互垂直的四个单端固支硅悬臂梁4，悬臂梁4支撑着中间的质量悬块5，质量悬块5上配置有微力学探针3，四个悬臂梁4上还各配置有一组压阻条2，四组压阻条2上配置成惠斯通电桥。质量悬块5的厚度小于硅侧壁6的厚度，从而使键合的玻璃基底1和活动的质量悬块5之间留出了一定的活动空间，保证了本发明的正常工作，同时能提供本发明的高过载限位保护。