变刚度悬臂梁传感器结构、阵列及制作方法

本发明是关于微纳装备和器件，特别是关于一种变刚度悬臂梁传感器结构、变刚度悬臂梁传感器阵列及变刚度悬臂梁传感器结构的制作方法。

背景技术：

1、悬臂梁传感器当前在环境监测，水下航行，微力校准等方向已具有广泛的应用。超高灵敏度悬臂梁传感器被视为下一代物理、化学和生物传感的重要工具。为了开发具有更高灵敏度和阈值检测限的传感器，研究人员学习了自然界中生物流量传感器的传感原理、形态几何和设计原理，制备了悬臂式人工仿生须传感器。但当前悬臂仿生须传感器的制备方法主要集中在3d打印、喷墨印刷、自黏贴等技术，这些悬臂梁通常由两种不同的材料组成，两种材料之间的结合误差较大，传感器均一性较差，限制了悬臂仿生须传感器的大规模生产及进一步应用。微机电系统(mems)技术是一项传统的传感器工艺加工技术，基于mems工艺技术的悬臂式传感器具有易集成，易小型化且易批量制造的优点。然而，当前基于仿生原理的mems仿生须传感器大多制备工艺较为复杂，需要创新的工艺技术，制备均一、一体成型、高灵敏度的悬臂仿生传感器。

2、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种变刚度悬臂梁传感器结构、变刚度悬臂梁传感器阵列及变刚度悬臂梁传感器结构的制作方法，其能够实现超灵敏传感。

2、为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种变刚度悬臂梁传感器结构，包括支撑结构和悬臂梁结构，所述悬臂梁结构设置于所述支撑结构上，所述悬臂梁结构包括沿远离所述支撑结构方向依次设置的感应部以及传递部，所述感应部的厚度小于所述传递部的厚度，所述感应部上设置有压敏电阻。

3、在本发明的一个或多个实施方式中，所述感应部具有平行于所述悬臂梁结构延伸方向的第一表面，所述压敏电阻设置于所述第一表面上；所述传递部具有平行于所述悬臂梁结构延伸方向的第二表面；所述第一表面与所述第二表面平行设置。

4、在本发明的一个或多个实施方式中，所述支撑结构具有平行于所述悬臂梁结构延伸方向的第三表面，所述第三表面与所述第一表面位于同一平面内；所述第三表面上设置有金属引线，所述金属引线连接所述压敏电阻。

5、在本发明的一个或多个实施方式中，所述感应部的厚度与所述传递部厚度之比大于或等于1/3且小于1，优选的，感应部的厚度与传递部厚度之比为1/2。

6、在本发明的一个或多个实施方式中，所述传递部的长径比为200-800。

7、在本发明的一个或多个实施方式中，所述传递部的长径比为400-600。

8、在本发明的一个或多个实施方式中，所述支撑结构、所述悬臂梁结构的感应部以及所述悬臂梁结构的传递部一体成型。

9、本发明的实施例提供了一种变刚度悬臂梁传感器阵列，包括支撑结构以及多组悬臂梁结构，所述多组悬臂梁结构排列设置于所述支撑结构上，每组所述悬臂梁结构包括沿远离所述支撑结构方向依次设置的感应部以及传递部，所述感应部的厚度小于所述传递部的厚度，所述感应部上设置有压敏电阻；其中，至少存在一组所述悬臂梁结构，其传递部的长径比与其他所述悬臂梁结构的不同。

10、在本发明的一个或多个实施方式中，多组所述悬臂梁结构传递部的长径比均不相同。

11、在本发明的一个或多个实施方式中，所述感应部具有平行于所述悬臂梁结构延伸方向的第一表面，所述压敏电阻设置于所述第一表面上；所述传递部具有平行于所述悬臂梁结构延伸方向的第二表面；所述支撑结构具有平行于所述悬臂梁结构延伸方向的第三表面，所述第三表面上设置有金属引线，所述金属引线连接所述压敏电阻；所述第三表面和所述第一表面位于同一平面内，所述第二表面与所述第一表面平行设置。

12、在本发明的一个或多个实施方式中，所述支撑结构、多组所述悬臂梁结构的感应部以及传递部一体成型。

13、本发明的实施例还提供了上述变刚度悬臂梁传感器结构的制作方法，包括：提供晶圆，所述晶圆具有相对设置的第一表面和第二表面；在晶圆的第一表面上形成所述变刚度悬臂梁传感器结构的悬臂梁结构；从晶圆的第二表面刻蚀所述悬臂梁结构的感应部，使其厚度小于所述传递部的厚度；从晶圆的第一表面于所述感应部处设置压敏电阻。

14、在本发明的一个或多个实施方式中，从晶圆的第二表面刻蚀所述悬臂梁结构的感应部的步骤，包括：提供模具组件，所述模具组件包括第一模具本体和第二模具本体，所述第二模具本体上形成有贯穿设置有槽孔；将晶圆放置于所述第一模具本体以及所述第二模具本体之间并限位，其中，所述晶圆的第一表面与所述第一模具本体相贴合设置，所述第二模具本体的槽孔暴露所述悬臂梁结构的感应部；通过所述槽孔刻蚀所述悬臂梁结构的感应部。

15、在本发明的一个或多个实施方式中，提供模具组件，包括：提供第一模具本体，所述第一模具本体上形成有用于限位晶圆的第一限位部，所述第一模具本体上形成有用于与第二模具本体相对限位的第二限位部；提供第二模具本体，所述第二模具本体上形成有凸起设置的保护部，所述保护部的凸起高度小于或等于所述晶圆与所述悬臂梁结构的厚度差；提供限位件，与所述第二限位部配合以对所述第一模具本体和第二模具本体进行相对限位。

16、在本发明的一个或多个实施方式中，所述保护部的凸起高度小于所述晶圆与所述悬臂梁结构的厚度差约50-100微米。

17、在本发明的一个或多个实施方式中，将晶圆放置于所述第一模具本体以及所述第二模具本体之间并限位，包括：将晶圆的第一表面贴合所述第一模具本体，并通过所述第一限位部进行限位；将第二模具本体放置于所述晶圆上，且所述保护部对应所述悬臂梁结构的传递部设置，所述槽孔对应所述悬臂梁结构的感应部设置；限位件与第二限位部配合以对第一模具本体和第二模具本体进行限位。

18、在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二模具本体的形状与所述晶圆的形状相同，所述第二模具本体的大小与所述晶圆的大小相同。

19、在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一限位部可以为凸于所述第一模具本体表面设置的限位柱或者开设于所述第一模具本体表面限位槽，所述第二限位部可以为呈圆形排布的限位孔，所述限位孔所在圆的半径等于所述晶圆的半径，所述限位件可以为销钉或者卡扣。

20、与现有技术相比，根据本发明实施方式的变刚度悬臂梁传感器结构，通过变刚度结构设计-传递部与感应部的不同厚度，提高相同外力作用下，压敏电阻所在区域的局部应力，从而提高悬臂梁传感器的灵敏度。

21、根据本发明实施方式的变刚度悬臂梁传感器结构，是基于仿生原理提出的，一种新型的基于mems工艺的变刚度压阻仿生悬臂梁传感器，实现了超灵敏传感。

22、根据本发明实施方式的变刚度悬臂梁传感器阵列，设计多个悬臂梁阵列结构，通过集成传递部具有不同长径比的悬臂梁结构，增大了变刚度悬臂梁传感器阵列的检测限度及灵敏度，提高了传感器的性能。

23、根据本发明实施方式的变刚度悬臂梁传感器结构的制作方法，通过硬掩模的mems工艺技术，完成对悬臂梁结构的背部(与感应部的第一表面对应的表面)进行局部刻蚀的工艺拓展，能够确保压敏电阻均一的同时，也可批量制备。

24、根据本发明实施方式的变刚度悬臂梁传感器结构的制作方法，通过特定的模具组件，易于批量化生产并提高流片良品率，简化工艺步骤。