一种仿生微悬臂梁结构、其制造方法及压阻传感器与流程
本发明涉及传感器制造技术领域，尤其涉及的是一种仿生微悬臂梁结构、其制造方法及压阻传感器。
背景技术：
近年来，基于微悬臂梁结构的传感器已经成为微机电系统领域的研究热点。含有微悬臂梁结构的传感器具有结构轻巧，传感灵敏，分辨率高等特性，在加速度检测，质量检测，生化成分分析等方面具有广泛的应用。微悬臂梁结构作用机理是悬臂梁在外力作用下产生形变，形变量乘以悬臂梁法向弹性系数，从而得到悬臂梁所受外力大小。
检测悬臂梁变形的电学方式有压电式、电容式和压阻式。其中压阻式通过在悬臂梁上设置对形变敏感的压敏电阻，当悬臂梁受力产生形变时，会导致梁上压敏电阻阻值产生变化，通过电桥的放大作用，将悬臂梁形变导致的电压变化放大，通过计算得到悬臂梁受力值。
微悬臂梁检测灵敏度取决于悬臂梁的几何尺寸，检测的带宽主要取决于悬臂梁结构的第一阶固有频率。灵敏度和带宽往往是一对矛盾的量，若从几何尺寸出发，比如增加悬臂梁的长度或者减小悬臂梁的厚度，则会提高悬臂梁的灵敏度，但是悬臂梁检测的带宽会随之减小。因此，采用传统提高悬臂梁检测灵敏度的方法不能保持悬臂梁足够的检测带宽。
因此，现有技术还有待于进一步的改进。
技术实现要素：
本发明的目的在于为用户提供一种仿生微悬臂梁结构、其制造方法及压阻传感器，克服现有技术中微悬臂梁的检测灵敏度随着悬臂梁长度的增加或厚度的减小而增加，但检测带宽随着悬臂梁长度的增加或厚度的减小而减小的缺陷。
本发明提供的第一实施例为一种仿生微悬臂梁结构，包括：呈悬臂梁结构的硅衬底、设置在所述硅衬底中的两个仿生孔缝组，以及设置在所述硅衬底上表面的梁上压敏电阻、衬底压敏电阻和电极引线；
两个所述仿生孔缝组呈对称排列在所述硅衬底中心轴左右两侧；各个所述仿生孔缝组内包括：至少一条仿生缝；
所述仿生缝为基于蝎子缝感受器仿生而成；
所述梁上压敏电阻与衬底压敏电阻之间通过电极引线构成惠斯通电桥。
可选的，所述仿生孔缝组内的每一条仿生缝设置为贯穿所述硅衬底。
可选的，两个所述梁上压敏电阻呈u型分别对应包围两个所述仿生孔缝组。
可选的，每条所述仿生缝的两侧尖端按照蝎子缝感受器内仿生缝的外形特征设计为半圆形。
可选的，所述呈悬臂梁结构的硅衬底为t型结构；所述衬底压敏电阻和电极引线布局在所述t型结构上端的硅衬底表面上，所述梁上压敏电阻与所述仿生孔缝组均布局在所述t型结构下端的硅衬底表面上。
可选的，所述仿生缝长10~200微米，仿生缝的长宽比值为4~20，仿生缝之间的距离为5~100微米。
可选的，各个仿生缝之间相互平行排列。
可选的，各个所述仿生缝长度、长宽比以及仿生缝之间的距离均不相同。
本发明提供的第二实施例为一种仿生微悬臂梁结构的制造方法，其中，包括：
采用硅片作为衬底，在硅片表面氧化出一层二氧化硅绝缘层；
在硅片上光刻出衬底压敏电阻和梁上压敏电阻的图形区域，并在所述衬底压敏电阻图形区域制作出衬底压敏电阻和梁上压敏电阻；
光刻出压敏电阻引线图形，用金属溅射工艺溅射一层金属薄膜，在腐蚀、去胶之后形成衬底压敏电阻与梁上压敏电阻之间的引线；
在硅片上蚀刻出贯穿硅片的仿生孔缝组；
从硅片背面进行离子刻蚀，释放出悬臂梁结构。
本发明提供的第三实施例为一种压阻传感器，其中，包括：底座和设置在所述底座上的所述的仿生微悬臂梁结构。
有益效果，本发明提供了一种仿生微悬臂梁结构、其制造方法及压阻传感器，所述仿生微悬臂梁结构包括：呈悬臂梁结构的硅衬底、设置在所述硅衬底中的仿生孔缝组，以及设置在所述硅衬底上表面的梁上压敏电阻、衬底压敏电阻和电极引线；所述仿生缝为基于蝎子缝感受器仿生而成；所述梁上压敏电阻与衬底压敏电阻之间通过电极引线构成惠斯通电桥。本发明基于彼得异蝎跗骨关节处缝感受器应力放大的机理，同时应用微纳制造技术设计出一种超敏感知微信息（力、位移、振动、加速度）的微悬臂梁结构。本发明提供的微悬臂梁结构具有灵敏度高、检测精度高、易于批量生产等特征。
附图说明
图1是本发明提供的所述仿生微悬臂梁结构的立体图；
图2是本发明所提供的所述仿生微悬臂梁结构中衬底压敏电阻和梁上压敏电阻由电极引线连接形成惠斯通电路的结构图；
图3是惠斯通电路的电路原理图；
图4为电子显微镜观察到的彼得异蝎跗骨关节处缝感受器的孔缝组分布图；
图5为电子显微镜观察到的彼得异蝎跗骨关节处缝感受器内单个孔缝尖端形状图；
图6为悬臂梁受力形变示意图；
图7为有限元分析软件abaqus对本发明中悬臂梁和不含孔缝结构的悬臂梁受力分析结果图；
图8是本发明提供的所述仿生微悬臂梁结构的制造方法的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明提供的第一实施例为一种仿生微悬臂梁结构1，如图1所示，包括：呈悬臂梁结构的硅衬底2、设置在所述硅衬底2中的两个仿生孔缝组3，以及设置在所述硅衬底2上表面的梁上压敏电阻4、衬底压敏电阻5和电极引线6；
所述仿生孔缝组3内的每一条仿生缝7设置为贯穿所述硅衬底2，且两个所述仿生孔缝组3呈对称排列在所述硅衬底中心轴左右两侧；各个所述仿生孔缝组3内包括：至少一条仿生缝7；各个仿生缝7之间相互平行；
所述仿生缝7为基于蝎子缝感受器仿生而成；
所述梁上压敏电阻4与衬底压敏电阻5之间通过电极引线6构成惠斯通电桥。
具体的，如图1所示，本发明所提供的仿生微悬臂梁结构，使用硅材料作为衬底，将硅片设计成悬臂梁结构，并在悬臂梁结构的硅衬底上表面上分别布局仿生孔缝组和由四个等同的压敏电阻组成的惠斯通电桥。
惠斯通电桥的连线方式如图2所示，惠斯通电桥的电路原理如图3所示。其中vd为输入电压，v1与v2为电压输出端。两个梁上压敏电阻分别为r1和r2，两个梁下压敏电阻分别为r3和r4；r1的一端连接vd，r4的一端连接vd，即r4连接vd的一端与r1串联；r1的另一端与r3的一端串联，且从r1和r3的连线上引出一端为电压v1的输出端；r4的另一端与r2的一端串联，且从r4和r2的连线上引出一端为电压v2的输出端；r2的另一端接地，r3的另一端接地，即r2的另一端与r3的另一端串联接地。
由于四个压敏元件的制作工艺以及参数完全相同，因此四个压敏元件的阻值全部相同，当梁没有形变时，惠斯通电桥内的四个电阻阻值相同，此时输出端v1与v2之间没有电压输出。当梁受力产生形变时，位于梁上的两个压敏元件的电阻产生变化，导致输出端v1与v2之间的电压产生变化，通过这两个输出端的输出电压差，就可以得到梁形变转换到的电压信号，进而反映悬臂梁的受力情况。惠斯通电桥的输出满足下列关系式：
式中为输入电压，输出电压满足下列关系：
设悬臂梁未形变时四个电阻值相等都为r，此时输出电压
进一步的，每个仿生孔缝组内至少包含一条仿生缝7，各个仿生缝7之间平行排列。较佳的，每个仿生孔缝组内包含2-10条仿生缝，仿生缝7之间间距10-100微米，也可以设置仿生缝7之间间距相等，也可以设置仿生缝7之间的间距不相同。各个所述仿生缝长度、长宽比也可以设置为相同也可以设置为不相同。
所述仿生缝7为基于蝎子缝感受器仿生而成；结合图4和图5中所示电子显微镜观察到的彼得异蝎跗骨关节处缝感受器的孔缝组分布图和电子显微镜观察到的彼得异蝎跗骨关节处缝感受器内单个孔缝尖端形状图，本发明中将所述仿生缝7的两侧尖端按照蝎子缝感受器内仿生缝的外形特征设计为半圆形，如图4所示，当微悬臂梁受力形变时，半圆形仿生缝尖端可以减小在仿生缝边缘的应力集中现象，减小孔缝组的加入对微悬臂梁刚度的影响，以满足在取得很好的检测效果的同时减少对带宽的影响。
具体的，所述仿生孔缝组在硅衬底中心轴左右两侧呈对称排列，且两个所述梁上压敏电阻呈u型分别对应包围两个所述仿生孔缝组。当悬臂梁受力产生形变时，由于梁上仿生孔缝组的存在使仿生孔缝组附近区域产生应力集中现象，导致位于仿生孔缝组周围的梁上压敏电阻阻值变大，从而使梁上压敏电阻与衬底压敏电阻构成的惠斯通电桥的输出端产生电压信号，通过此电压信号可以反映出悬臂梁的受力情况。本发明仿照彼得异蝎跗骨关节处缝感受器的仿生缝结构，在微悬臂梁上光刻孔缝结构，能够有效地提高悬臂梁检测灵敏度，同时保证较高的带宽。
为了取得较佳的检测效果，将所述呈悬臂梁结构的硅衬底设计为t型结构；所述衬底压敏电阻和电极引线布局在所述t型结构上端的硅衬底表面上，所述梁上压敏电阻与所述仿生孔缝组均布局在所述t型结构下端的硅衬底表面上。
本发明所述的微悬臂梁的长度为100~500微米，宽度为50~500微米，厚度为10~100微米。在微悬臂梁上刻蚀出两个仿生孔缝组，仿生孔缝组内的各个仿生缝贯穿硅衬底，仿生孔缝组作为应力集中区域，两个仿生孔缝组在悬臂梁上以梁中心轴左右对称排列，两个仿生孔缝组之间相距10~200微米，靠近衬底的仿生缝距离固定端5~200微米，仿生缝长10~200微米，仿生缝的长宽比为4~20，仿生缝之间的距离为5~100微米，每一条仿生缝两侧尖端为半圆形。两个梁上压敏电阻呈u形分别包围两个梁上仿生孔缝组，衬底压敏电阻与梁上压敏电阻具有相同的规格，压敏电阻区域的宽度为5~50微米，厚度为2~20微米，压敏电阻距离仿生孔缝组5~100微米，衬底压敏电阻与梁上压敏电阻相距100~500微米。四个电阻之间用电极引线连接，共同构成惠斯通电桥。
较佳的，如图1所示，将所述微悬臂梁结构的长度为450微米，宽度为200微米，厚度为50微米，两个仿生孔缝组之间相距60微米，靠近固定端的仿生缝距离固定端10微米；每个孔缝组3内包含三条仿生缝7，每条仿生缝7长40微米，宽10微米，每条仿生缝7的间距相同，都为10微米。压敏电阻宽度为10微米，两个压敏电阻横向间距为20微米。梁上压敏电阻与衬底压敏电阻间距150微米。
本发明所提供的微悬臂梁结构的工作过程和原理：
图6所示，当悬臂梁自由端受力f时，悬臂梁自由端产生形变，悬臂梁受力f与形变d之间的关系满足胡克定律：
其中k为悬臂梁法向弹性系数。k值的大小与悬臂梁的尺寸规格有关。在本发明中，由于两个仿生孔缝组的存在，导致悬臂梁的法向弹性系数减小，因此在施加同样的外力的条件下，悬臂梁自由端产生的形变量增加，导致位于悬臂梁上的压敏电阻阻值变化量增加，从而提高了本发明的感知灵敏度。梁上压敏电阻和衬底压敏电阻通过惠斯通电桥，将悬臂梁的位移情况转换为电压信号进行输出。
本发明所公开的微悬臂梁结构通过将硅衬底设计成悬臂梁结构，并在微悬臂梁上刻蚀出两个仿生孔缝组，仿生孔缝组内的各个仿生缝贯穿硅衬底，仿生孔缝组作为应力集中区域。由于仿生孔缝组的应力集中效应，使仿生孔缝组附近的区域对应力变化更加敏感，从而导致仿生孔缝组附近的压敏电阻阻值随应力变化出现更加剧烈的变化，以此来提高检测灵敏度；仿生缝两侧尖端按照彼得异蝎跗骨关节处的缝感受器内仿生孔缝组的外形特征仿生设计为半圆形，可以减小应力在孔缝边缘的集中，减小孔缝结构的加入对悬臂梁刚度的影响，从而满足悬臂梁在提高灵敏度同时保证带宽的要求。
如图7所示，是有限元分析软件abaqus对本发明所述的微悬臂梁和不含孔缝结构的微悬臂梁进行受力分析的结果图，所分析的含有孔缝结构的悬臂梁参数如上述尺寸规格，不含有孔缝结构的悬臂梁的长宽和厚度与含有孔缝的悬臂梁相同，在两个悬臂梁自由端施加同样的向下的面压力，将两个悬臂梁的另一端设置为固定端。从分析结果可以发现，本发明所述的悬臂梁在压敏电阻设置区域产生了应力集中的情况，压敏电阻区域的应力数值约是不含孔缝结构悬臂梁的两倍。因此在仿生孔缝组附近区域设置压敏电阻元件可以有效放大悬臂梁的受力信息，从而实现对微信息（例如：力、位移、振动、加速度）的检测。
实施例2
本发明提供的第二实施例为一种仿生微悬臂梁结构的制造方法，如图8所述，包括：
步骤s81、采用硅片作为衬底，在硅片表面氧化出一层二氧化硅绝缘层；
步骤s82、在硅片上光刻出衬底压敏电阻和梁上压敏电阻的图形区域，并在所述衬底压敏电阻图形区域制作出衬底压敏电阻和梁上压敏电阻；
步骤s83、光刻出压敏电阻引线图形，用金属溅射工艺溅射一层金属薄膜，在腐蚀、去胶之后形成衬底压敏电阻与梁上压敏电阻之间的引线；
步骤s84、在硅片上蚀刻出贯穿硅片的仿生孔缝组；
步骤s85、从硅片背面进行离子刻蚀，释放出悬臂梁结构。
在具体应用过程中，所述制造方法包括以下步骤：
本发明中微悬臂梁的制作工艺和流程如下：
（1）采用硅片作为悬臂梁主体材料，在硅片表面氧化一层约0.5微米的二氧化硅绝缘层。
（2）在硅片上涂抹光刻胶，光刻出压敏电阻图形，用氢氟酸腐蚀掉压敏电阻区域内的二氧化硅。
（3）用光刻胶和二氧化硅做掩模，向硅片注入硼离子，在压敏电阻区域制作厚度约为1.5微米的压敏电阻。
（4）光刻出压敏电阻引线图形，用金属溅射工艺溅射一层金属薄膜，在光刻、腐蚀、去胶之后形成压敏电阻之间的引线。
（5）在硅片正面光刻形成悬臂梁和两个仿生孔缝组的掩模图形，用干法刻蚀氧化硅层直至露出硅片的底层硅，形成含有仿生孔缝组的微悬臂梁图形。
（6）从硅片背面进行硅片的深反应离子刻蚀，释放出悬臂梁结构，制作出微悬臂梁。
实施例3
本发明提供的第三实施例为一种压阻传感器，其中，包括：底座和设置在所述底座上的所述的仿生微悬臂梁结构。
可以想到的是，本发明所提供的仿生微悬臂梁结构可以应用在压阻传感器上，用于感知压力信号，并且可以取得较佳的检测效果。
本发明所提供的仿生微悬臂梁结构及压力传感器可用于生化成分分析，加速度检测及物体表面状态检测等方面，在环境检测、医疗诊断，航天军事等领域均可应用。
本发明提供了一种仿生微悬臂梁结构、其制造方法及压阻传感器，所述微悬臂梁结构包括：硅衬底，设置在所述硅衬底中的仿生孔缝组，以及设置在所述硅衬底上表面的梁上压敏电阻、衬底压敏电阻和电极引线；所述仿生缝为基于蝎子缝感受器仿生而成；所述梁上压敏电阻与衬底压敏电阻之间通过电极引线构成惠斯通电桥。本发明基于彼得异蝎跗骨关节处缝感受器应力放大的机理，同时应用微纳制造技术设计出一种超敏感知微信息的微悬臂梁结构。本发明提供的微悬臂梁结构具有灵敏度高、检测精度高、易于批量生产等特征。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
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