一种柔性接触MEMS力传感器的制作方法

本发明属于mems传感器制造领域，具体涉及的是一种柔性接触mems力传感器。

背景技术：

1、血压是人体新陈代谢的主要参数，它的高低反应了人体心血管功能的健康情况，测量血压的及时性和准确性也直接影响到相应疾病的诊断及治疗。随着高血压患者数量的增加，高血压的防治已经成为一项严峻的挑战，目前已有的血压计测量血压的方式是阻隔血液流动、有间断性地测量，难以满足医疗领域对无间隔血压测量的需求。

2、传统的硅基压力传感器虽然有着精度高、可重复性好、可大规模生产的优点，但是由于其是刚性材料，难以测量弯曲复杂表面，在很多应用场景下难以使用。有机柔性压力传感器目前仍处于实验室阶段，迁移率和可重复性仍是限制其性能的两大重要因素。另一种方法是采用减薄硅基器件，并将其转移到柔性衬底上，借助弹性体实现其柔性且薄的特点，但是减薄的方法会使结构的可靠性降低，不能满足使用需求。本发明采用的是悬臂梁结构的柔性接触力传感器，不仅可以实现很高的灵敏度和精度，而且可以实现和皮肤表面的无间隙贴附。

3、传统血压计虽然已经深入市场的千家万户，但是偶测血压带来的误差较大，容易出现“白大褂”现象，并且对于需要连续血压监测的用户难以满足。本发明提出的柔性力传感器可以测量血液流动带来的压力最后传递到人体皮肤表面的力，并且体积小，精度高，可以集成到手环内部，满足可穿戴健康检测的需求。

技术实现思路

1、针对目前市场需求，以及已经出现产品的不足，本发明提出了一种柔性接触mems力传感器的设计及其制备方法,可以广泛应用于可穿戴健康监测领域。所述质量块与悬臂梁宽度不同；所述质量块的宽度大于悬臂梁宽度，质量块的厚度大于或等于悬臂梁的厚度；所述悬臂梁上存在镂空结构；所述压敏电阻曲折分布在悬臂梁与衬底连接的根部位置，通过惠斯通全桥电路连接；所述压敏电阻按照惠斯通电桥设计并通过金属引线连接。

2、本发明的设计方案如下：柔性接触mems力传感器从结构上包括衬底、质量块、悬臂梁、压敏电阻和金属引线，是在同一片基板上制备得到。所述柔性接触mems力传感器表面包覆有柔性材料。所述柔性材料为parylene、pet。所述悬臂梁上的镂空结构为一个或多个方形；所述悬臂梁上压阻布置区域减薄，使悬臂梁成阶梯状结构。

3、工作时，质量块和被测皮肤接触，皮肤表面由于内部存在血压时刻的波动变化，因而在表面产生力的变化，最后传递到质量块表面，质量块受到外力后会有位移的变化，从而带动悬臂梁发生形变，梁上会有应力和应变的产生，压敏电阻会随着应力的变化而变化，采用惠斯通全桥电路来连接四个电阻。为了获得最大电压输出，四个压敏电阻应该布置在应力应变最大的区域，并且要满足四个电阻的变化量相等。

4、悬臂梁和质量块被设计为相等厚度，如果需要进一步提高灵敏度，可以减小悬臂梁厚度。质量块与悬臂梁宽度不同。

5、质量块上应设计一个凸起区域，便于集中捕获皮肤表面的力，当传感器贴附于人体皮肤表面时，凸起区域会先一步接触，而受到力的作用，可以避免没有捕获到皮肤表面力的变化的现象发生，同时也可以减小力学噪声的影响。

6、四个电阻分布区域是通过每隔1微米提取悬臂梁应力节点上的横向应力和纵向应力，求得积分值后作差，选取四个差值相等的区域作为电阻分布的区域。

7、一种柔性接触mems力传感器制备步骤：

8、(1)在soi基片上生长一层二氧化硅；

9、(2)光刻图形化四个压阻区域，正面注入三价离子形成轻掺杂区域作为压敏电阻区域，压敏电阻曲折分布；

10、(3)第二次光刻图形化欧姆接触区，在压敏电阻两端头及拐角处离子注入三价离子形成重掺杂区域作为欧姆接触区，减小接触电阻，拐角处要大幅度加宽电阻条的宽度，约为电阻条宽度的三倍及以上；

11、(4)光刻引线孔后溅射金属导电材料，腐蚀出金属引线的形状；

12、(5)沉积柔性材料对传感器表面进行包覆，柔性材料包括：parylene、pet等，该步骤柔性包覆也可以在工艺结束后进行，在传感器表面包覆透明软胶，增大对器件层的保护作用，并提高传感器的可靠性。

13、(6)背部光刻，给腔体开窗后深刻蚀背部的硅片直到埋氧层，对器件层做正面保护；

14、(7)正面光刻，对悬臂梁进行图形化，而后先刻蚀柔性材料层后刻蚀soi基片正面的器件层，得到柔性力传感器。

15、(8)背部光刻，对悬臂梁压阻布置区域进行减薄处理。

16、所述腔体采用干法刻蚀或者湿法腐蚀得到，开的窗口要大于设计尺寸。所述的压敏电阻条曲折分布，选用偶数折数布置可以减小负压阻效应带来的误差。所述的沉积柔性材料的方法采用化学气相沉积。

17、本发明的柔性接触mems力传感器可以用于贴附人体表面及其他复杂曲面的表面进行信号的测量，当外力施加在质量块时，质量块产生位移带动镂空悬臂梁发生形变，布置在镂空悬臂梁根部的电阻值发生变化，最后表现为输出电压的变化。悬臂梁设计为镂空结构，并将压阻布置区域减薄，减小悬臂梁质量，同时可以使应力集中于压敏电阻布置区域，提高传感器灵敏度和精度。传感器表面沉积一层柔性材料，可以保证贴附，提高可靠性。这种柔性接触mems力传感器的灵敏度高、精度高、生产工艺成熟、可大规模生产。

技术特征：

1.一种柔性接触mems力传感器，其特征在于，包含：衬底、质量块、悬臂梁、压敏电阻和金属引线；所述柔性接触mems力传感器表面包覆有柔性材料；所述质量块与悬臂梁宽度不同；所述质量块的宽度大于悬臂梁宽度，质量块的厚度大于或等于悬臂梁的厚度；所述悬臂梁上存在镂空结构；所述压敏电阻曲折分布在悬臂梁与衬底连接的根部位置，通过惠斯通全桥电路连接；。

2.根据权利要求1所述的柔性接触mems力传感器，其特征在于，所述衬底、质量块和悬臂梁是用同一片基板制备得到；所述压敏电阻按照惠斯通电桥设计并通过金属引线连接。

3.根据权利要求1所述的柔性接触mems力传感器，其特征在于，所述悬臂梁上的镂空结构为一个或多个方形；所述悬臂梁上压阻布置区域减薄，使悬臂梁成阶梯状结构。

4.根据权利要求1所述的柔性接触mems力传感器，其特征在于，所述柔性材料为parylene、pet。

5.根据权利要求1所述的柔性接触mems力传感器，其特征在于，所述质量块中心正上方的柔性材料为凸起结构，接触人体皮肤，便于测量皮肤表面的力。

6.根据权利要求1所述的柔性接触mems力传感器其特征在于，其特征在于，包括以下制作步骤：

7.根据权利要求2所述的柔性接触mems力传感器，其特征在于，所述腔体采用干法刻蚀或者湿法腐蚀得到，开的窗口要大于设计尺寸。

8.根据权利要求2所述的柔性接触mems力传感器，其特征在于，所述的压敏电阻条曲折分布，选用偶数折数布置可以减小负压阻效应带来的误差。

9.根据权利要求2所述的柔性接触mems力传感器，其特征在于，所述的沉积柔性材料的方法采用化学气相沉积。

技术总结
本发明公开了一种柔性接触MEMS力传感器，主要包括：镂空悬臂梁、质量块、衬底、压阻和金属引线、柔性接触MEMS力传感器表面包覆有柔性材料。其中压阻条布置在悬臂梁应力集中的根部位置，质量块和悬臂梁不等宽，当传感器的质量块受到来自皮肤表面传递的外力时，镂空悬臂梁发生形变，引起压敏电阻的阻值变化。悬臂梁采用镂空结构，不仅可以减小悬臂梁质量，更能促进应力集中，在同等外力作用时，增大压敏电阻的应力感知，提高传感器灵敏度。表面沉积一层柔性材料，可以保证贴附，提高可靠性。这种柔性接触MEMS力传感器的灵敏度高、精度高、生产工艺成熟、可大规模生产。

技术研发人员：周浩楠,张慧敏,李宋,张亚婷
受保护的技术使用者：北京智芯传感科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4