[发明专利]一种微型电容式力学传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统领域，具体的说，涉及一种用于微力测量的微型电容式力学传感器及其制备方法。

背景技术

力学传感器是将各种力学量转换为电信号的器件，广泛应用于机械、化工、交通、国防等领域。而且随着传感器技术的快速发展，具有体积小、重量轻、功耗低和可靠性高等优越性能的微型传感器在航空航天、兵器工业和微机械组装等方面开始大量应用。电容式力学传感器具有结构简单、灵敏度高、测量范围大、动态响应快和稳定性好等一系列优点，是一种很有发展前途的传感器。

近些年来，随着微纳米技术和生物技术的迅速发展，微尺度环境下的微小力测量越来越受到重视，而基于微机电系统技术制备的微型力学传感器作为一种重要的测试工具，在微型机器人、微装配系统、微型摩擦学、生物力学研究和新型医疗器械等方面开始越来越广泛的应用。微力传感器按工作原理主要可以分为压阻式、压电式和电容式。目前利用硅体加工制备的压阻式传感器是具有代表性的微型力学传感器，其特点是频率响应高、精度高、灵敏度高和可靠性好等，缺点是受温度影响较大、工艺复杂、成本较高。而压电式微型力学传感器工艺中的功能薄膜主要受半导体工艺所限，制备工艺相对较为复杂。而电容式微型力学传感器具有输入能量小、灵敏度高、电参量相对变化大、动态性能好和稳定性好等优点，在一些环境要求较高的领域和部分医用器械领域有很大的应用潜力。

专利公开号CN1550783A的发明专利提出了基于硅基底的电容式力学量传感器，该专利制备工艺相对较为粗糙，不能实现高精度测试，而且没有防止过载保护功能。

发明内容

针对现有技术中存在的诸多问题，本发明基于微机电系统技术，提供了一种微型电容式力学传感器及其制备方法；该微型电容式力学传感器具有双介电层结构，增加了灵敏度，提高了测试精度，还可以通过双介电层实现过载保护；并且该微型电容式力学传感器制备工艺简单，成本低廉，适于大规模制造。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种微型电容式力学传感器，包括衬底、固定电极、固态介质层和可动电极，所述固定电极固定设置于衬底上，所述固态介质层叠设在固定电极上，所述可动电极经弹性导电支撑结构平行悬设于固态介质层上方，且固态介电层与可动电极之间的悬空区域形成空气介电层。

进一步的，该微型电容式力学传感器还包括分布于固定电极两侧的导电支撑柱，所述的弹性导电支撑结构为柔性导电支撑梁，可动电极的两端分别经柔性导电支撑梁与导电支撑柱的上部连接，并呈现悬空状态，所述导电支撑柱下端固定在衬底上。

所述衬底为玻璃或石英，厚度为1-5厘米。

所述的固定电极、可动电极、导电支撑柱以及柔性导电支撑梁的材料优选为金属材料；

进一步的，所述的固定电极、可动电极、导电支撑柱以及柔性导电支撑梁的材料尤其优选采用金属镍。

所述的固态介电层采用可蒸镀或溅射的介电材料，优选使用Al₂O₃、SiO₂或BaTiO₃中的任意一种；固态介电层的厚度为0.1-2微米。

如上所述的微型电容式力学传感器的制备方法，具体包括以下步骤：

Ⅰ、在清洗好的衬底上溅射金属种子层；

所述金属种子层的材料为Cr/Cu或Cr/Au，厚度为800～1000?；

Ⅱ、应用光刻工艺在金属种子层上实现固定电极和导电支撑柱的光刻胶结构图形化；

Ⅲ、使用电镀工艺在光刻胶结构图形化后的金属种子层上形成固定电极和导电支撑柱；

Ⅳ、应用光刻工艺在固定电极上，实现固态介电层的光刻胶结构图形化；

Ⅴ、在光刻胶结构图形化后的固定电极上，应用金属溅射工艺形成固态介电层；所述的固态介电层的厚度为0.1-2微米；所述的固态介电层的材料为可蒸镀或溅射的介电材料，包括Al₂O₃、SiO₂或BaTiO₃中的任意一种； 

Ⅵ、在溅射完成固态介电层的衬底上，涂覆厚度为5-20微米正性光刻胶；

Ⅶ、步骤Ⅵ所涂覆的光刻胶经过前烘固化之后，再重复步骤A的工艺，在光刻胶上溅射金属种子层；

Ⅷ、应用光刻工艺在金属种子层上实现可动电极和柔性导电支撑梁的光刻胶结构图形化；

Ⅸ、在图形化后的金属种子层上，使用电镀工艺形成可动电极和柔性导电支撑梁；

Ⅹ、采用湿法腐蚀工艺去除前述步骤中的光刻胶和金属种子层，释放出悬空结构，得到目标产物。