一种微机械位移传感器及其制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种微机械位移传感器，是一种基于微机械加工技术制造的具有移动 部件的位移传感器结构。
【背景技术】
[0002] 位移传感器应用十分广泛，比如在需要建立和维护位置偏置与容差的工程应用 中。位移传感器也称为线性传感器，它把位移量转换为电量，从而实现对位移量的测量。位 移传感器分为电位器式、自感式、电容式、光栅式和霍尔效应等类型。电位器式位移传感器 又分为绕线式电位器位移传感器和非绕线式电位器位移传感器。绕线式位移传感器存在摩 擦和磨损、有阶梯误差、分辨率低和寿命短等缺点，同时在微小尺寸下电阻丝不易绕制在绝 缘骨架中，增加了加工的难度。非绕线式电位器位移传感器是在绝缘基片上制成各种薄膜 元件，分辨率较高、寿命长，耐磨且易校准，但传统的非绕线式电位器位移传感器体积较大。 随着微加工工艺的发展，传统的电位器式位移传感器体积较大，采用微加工技术降低器件 的尺寸是目前技术革新的努力方向。
【发明内容】
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[0003] 技术问题:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种微机械位移传感器 及其制造方法，具有结构小巧、分辨率高，批量制造一致性好等特点。
【发明内容】
[0004] :为解决上述技术问题，本发明提供了一种微机械位移传感器，该传感器 包括衬底基板、电阻线、第一焊盘和第二焊盘、终端挡板、第一固定壁和第二固定壁、接触电 极、滑块、磁性材料、磁体、金属导线和第三焊盘；
[0005] 衬底基板包括正面和与正面相对设置的背面；
[0006] 衬底基板正面分为左右两个区域，
[0007] 左边区域设有第一焊盘、第二焊盘和第三焊盘，还设有终端挡板；
[0008] 右边区域设有滑块以及固定滑块的第一固定壁和第二固定壁；
[0009] 滑块包括上边框、下边框和连接上边框和下边框的的连接框，上边框、下边框和连 接框形成空间，且该空间开口朝向左边区域;第一固定壁和第二固定壁分别固定在上边框 和下边框;磁性材料覆盖于滑块上边框、下边框和连接框的内表面;接触电极设置在滑块的 空间内，且靠近开口处；
[0010]磁体放置在衬底基板的背面。
[0011]优选的，衬底基板表面微电绝缘，电阻线和金属导线为同种材料。
[0012 ]本发明还提供了 一种微机械位移传感器的制造方法，该方法包括如下步骤：
[0013] 步骤1:选择绝缘体上的硅作为起始硅片，通过背面光刻和等离子干法刻蚀将底部 刻浅槽；
[0014] 步骤2:磁控溅射钛和金，并光刻形成接触电极；
[0015] 步骤3:采用深反应离子刻蚀工艺对背面进行深槽刻蚀，一直到界面的氧化硅层停 止；
[0016] 步骤4:玻璃基板作为衬底基板，在表面溅射钛、铂和金，然后光刻形成电阻线、金 属导线、及第一焊盘、第二焊盘和第三焊盘；
[0017] 步骤5:将SOI硅片和玻璃基板进行阳极键合；
[0018] 步骤6:硅片正面进行反应离子干法刻蚀硅膜，到界面氧化硅停止；
[0019] 步骤7:磁控溅射金属镍并刻蚀形成磁性材料，然后腐蚀氧化硅，释放滑块部分；
[0020] 步骤8:划片后在每个衬底背面贴磁体即完成器件芯片级封装部分。
[0021] 有益效果：1)本发明提出的微机械位移传感器，采用磁力保证接触电极和电阻的 紧密接触，可靠性好;2)整个传感器采用微机械加工实现，可以一次批量制造，一致性好且 成本低;3)采用非绕线式电位器位移结构，结构简单，分辨率较高、寿命长，耐磨;利用磁体 和磁性材料间的吸引力，接触板和电阻条接触良好，抗干扰能力强;结构微小，便于集成;可 采用体硅微机械加工技术，工艺可靠、批量制造容易且成本低；以硅为衬底，且加工方法和 半导体工艺兼容，便于与测量电路集成，可实现自动测量和较高的精度。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的结构示意图。
[0023]图2为本发明剖面示意图。
[0024]图3a为硅衬底底部浅槽刻槽示意图。
[0025]图3b为接触电极形成示意图。
[0026]图3c为深槽刻蚀示意图。
[0027]图3d为玻璃上结构形成示意图。
[0028]图3e为玻璃和硅阳极键合示意图。
[0029]图3f为正面硅膜刻蚀示意图。
[0030]图中，衬底基板1、电阻线2、焊盘21和22、终端挡板3、L型固定壁41和42、接触电极 5、滑块6、磁性材料7、磁体8、金属导线9和焊盘91。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0032] 本发明提供的微机械位移传感器，参见图1，该传感器包括衬底基板1、电阻线2、第 一焊盘21和第二焊盘22、终端挡板3、第一固定壁41和第二固定壁42、接触电极5、滑块6、磁 性材料7、磁体8、金属导线9和第三焊盘91;
[0033]衬底基板1包括正面和与正面相对设置的背面；
[0034]衬底基板1正面分为左右两个区域，
[0035] 左边区域设有第一焊盘21、第二焊盘22和第三焊盘91，还设有终端挡板3;
[0036]右边区域设有滑块6以及固定滑块6的第一固定壁41和第二固定壁42;
[0037] 滑块6包括上边框、下边框和连接上边框和下边框的的连接框，上边框、下边框和 连接框形成空间，且该空间开口朝向左边区域;第一固定壁41和第二固定壁42分别固定在 上边框和下边框;磁性材料层7覆盖于滑块6上边框、下边框和连接框的内表面;接触电极5 设置在滑块6的空间内，且靠近开口处；
[0038] 磁体8放置在衬底基板1的背面。
[0039] 衬底基板表面微电绝缘，电阻线2和金属导线9为同种材料。
[0040] -种微机械位移传感器，如附图1和2所示，传感器由衬底基板1、电阻线2、焊盘21 和22、终端挡板3、L型固定壁41和42、接触电极5、滑块6、磁性材料7、磁体8、金属导线9和焊 盘91组成。衬底材料1为表面绝缘的平坦材料，例如带有氧化膜的硅片，其上表面设有带焊 盘21和22的电阻线2,及金属导线9和焊盘91。在焊盘21和22的外侧的衬底1上设有终端挡板 3,以防止滑块6从电阻线焊盘上方滑出衬底之外。滑块6为矩形框结构，为导体材料，其上表 面覆盖磁性材料层7,例如金属镍薄膜。在滑块的两侧，各有一个L型固定壁41和42挡住滑块 6,该固定壁41和42和衬底牢固粘结，上方的横条防止滑块6离面脱离衬底1。磁体8放置在衬 底材料1的背面，通过对滑块6表面的磁性材料7产生磁吸力，使滑块6固定在衬底表面，同时 保证滑块上的接触电极5和电阻线2和金属导线9紧密接触。
[0041] 该传感器工作时，衬底1固定在工件1上，滑块6-端固定在工件2上，当工件2相对 于工件1产生位移，将带动滑块6沿电阻线2方向产生移动，设焊盘21接电压V，焊盘22接地 线，电阻线2的总电阻为R，接触电极5和电阻线2的接触点到焊盘22之间的电阻为Rx，则焊盘 vJS.Vi· 91的电压由于RX随滑块6移动而变化，因此输出电压Vo也将反映实际位移的大 小。
[0042] -种微机械位移传感器，如附图1和2所示，传感器由衬底基板1、电阻线2、焊盘21 和22、终端挡板3、L型固定壁41和42、接触电极5、滑块6、磁性材料7、磁体8、金属导线9和焊 盘91组成。滑块6相对衬底1沿电阻线2方向位移，将改变接触电极5和电阻线的接触位置，导 致焊盘9输出的电阻或电压随位移位置而变，从而敏感位移的大小。
[0043]该传感器的制备方法如下：
[0044] 1)选择绝缘体上的硅（SOI)作为起始硅片，通过背面光刻和等离子干法刻蚀将底 部刻浅槽(图3a);
[0045] 2)磁控溅射钛和金，并光刻形成接触电极5(图3b);
[0046] 3)采用深反应离子刻蚀工艺对背面进行深槽刻蚀，一直到界面的氧化硅层停止 (图 3c);
[0047] 4)玻璃基板作为衬底基板1，在表面溅射钛、铂和金，然后光刻形成电阻线2、金属 导线9、及焊盘21、21和91 (图3d);
[0048] 5)将SOI硅片和玻璃基板进行阳极键合(图3e);
[0049] 6)硅片正面进行反应离子干法刻蚀硅膜，到界面氧化硅停止(图3f);
[0050] 7)磁控溅射金属镍，并刻蚀出图1的形状，然后腐蚀氧化硅，释放滑块6部分。到此 完成整个器件的工艺。
[0051] 8)划片后在每个衬底背面贴磁体8即完成器件芯片级封装部分。
【主权项】
1. 一种微机械位移传感器，其特征在于，该传感器包括衬底基板（1)、电阻线（2)、第一 焊盘（21)和第二焊盘（22)、终端挡板（3)、第一固定壁(41)和第二固定壁(42)、接触电极 (5)、滑块(6)、磁性材料(7)、磁体(8)、金属导线(9)和第三焊盘(91); 衬底基板（1)包括正面和与正面相对设置的背面； 衬底基板（1)正面分为左右两个区域， 左边区域设有第一焊盘(21)、第二焊盘(22)和第三焊盘(91)，还设有终端挡板(3); 右边区域设有滑块(6)以及固定滑块(6)的第一固定壁(41)和第二固定壁(42); 滑块(6)包括上边框、下边框和连接上边框和下边框的的连接框，上边框、下边框和连 接框形成空间，且该空间开口朝向左边区域;第一固定壁(41)和第二固定壁(42)分别固定 在上边框和下边框;磁性材料层(7)覆盖于滑块(6)上边框、下边框和连接框的内表面;接触 电极(5)设置在滑块(6)的空间内，且靠近开口处； 磁体(8)放置在衬底基板(1)的背面。2. 根据权利要求1所述微机械位移传感器，其特征在于，衬底基板表面微电绝缘，电阻 线(2)和金属导线(9)为同种材料。3. -种微机械位移传感器的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： 步骤1:选择绝缘体上的硅作为起始硅片，通过背面光刻和等离子干法刻蚀将底部刻浅 槽； 步骤2:磁控溅射钛和金，并光刻形成接触电极(5); 步骤3:采用深反应离子刻蚀工艺对背面进行深槽刻蚀，一直到界面的氧化硅层停止； 步骤4:玻璃基板作为衬底基板（1)，在表面溅射钛、铂和金，然后光刻形成电阻线（2)、 金属导线(9)、及第一焊盘(21)、第二焊盘(22)和第三焊盘(91); 步骤5:将SOI硅片和玻璃基板进行阳极键合； 步骤6:硅片正面进行反应离子干法刻蚀硅膜，到界面氧化硅停止； 步骤7:磁控溅射金属镍并刻蚀形成磁性材料(7)，然后腐蚀氧化硅，释放滑块(6)部分； 步骤8:划片后在每个衬底背面贴磁体(8)即完成器件芯片级封装部分。
【专利摘要】本发明提供了一种微机械位移传感器及其制造方法，该传感器包括衬底基板(1)、电阻线(2)、第一焊盘(21)和第二焊盘(22)、终端挡板(3)、第一固定壁(41)和第二固定壁(42)、接触电极(5)、滑块(6)、磁性材料(7)、磁体(8)、金属导线(9)和第三焊盘(91)；衬底基板(1)包括正面和与正面相对设置的背面；衬底基板(1)正面分为左右两个区域，左边区域设有第一焊盘(21)、第二焊盘(22)和第三焊盘(91)，还设有终端挡板(3)。本发明具有结构小巧、分辨率高，批量制造一致性好等特点。
【IPC分类】G01B7/02
【公开号】CN105547125
【申请号】CN201610035620
【发明人】秦明, 王庆贺, 穆林, 叶一舟, 高磬雅
【申请人】东南大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年1月19日