CN117906801B - 一种mems三维力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS三维力传感器及其制备方法，其中MEMS三维力传感器包括：弹性层，包括表层、液态金属层和第一基底；液态金属层设于表层和第一基底之间，且液态金属层设有电阻丝；其中，通过控制液态金属层的相态，进而控制弹性层的杨氏模量；力传递层，包括与第一基底贴合的第二基底，第二基底设有多个微触点单元；电阻丝与第二基底连接；力敏感层，包括与第二基底贴合的第三基底，第三基底设有多个悬臂梁；其中，多个悬臂梁至少和部分微触点单元相对设置。本发明能够根据需求进行自由调整，以适应不同的力测量范围和精度需求。

Description

一种MEMS三维力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其是指一种MEMS三维力传感器及其制备方法。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)是机械部件与电子部件在微米尺度上的集成技术。

MEMS技术已经在许多领域得到广泛应用，包括传感器、计量仪器、生物医学和通信等。在力传感领域，MEMS力传感器由微机械器件和敏感电路组成，能够实现对力的准确测量。

然而，不同应用场景对力传感器的灵敏度要求可能不同。传统的MEMS三维力传感器往往具有固定的灵敏度，无法根据实际需要进行调整。

因此，亟需开发一种灵敏度可调的MEMS三维力传感器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种MEMS三维力传感器及其制备方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种MEMS三维力传感器，包括：

弹性层，包括表层、液态金属层和第一基底；所述液态金属层设于所述表层和所述第一基底之间，且所述液态金属层设有电阻丝；其中，通过控制所述液态金属层的相态，进而控制所述弹性层的杨氏模量；

力传递层，包括与所述第一基底贴合的第二基底，所述第二基底设有多个微触点单元；并且，所述电阻丝沿第一方向延伸与所述第二基底连接；

力敏感层，包括与所述第二基底贴合的第三基底，所述第三基底设有多个悬臂梁；其中，多个所述悬臂梁至少和部分所述微触点单元相对设置；

当外力施加于具有不同杨氏模量的所述弹性层时，杨氏模量高的所述弹性层产生的形变相对较小，进而向所述力敏感层传递的相变较小，使所述力敏感层产生较小信号输出。

在本发明的一个实施例中，所述弹性层的表层和第一基底的材质为聚二甲基硅氧烷。

在本发明的一个实施例中，所述力传递层的第二基底的材质为聚二甲基硅氧烷。

在本发明的一个实施例中，多个所述微触点单元均沿所述力传递层的厚度方向延伸，且多个所述微触点单元延伸的距离相同。

在本发明的一个实施例中，所述微触点单元接触所述悬臂梁的端部为尖端触点。

在本发明的一个实施例中，所述第三基底开设多个用于安装所述悬臂梁的空腔，所述悬臂梁的一端抵接所述空腔的内壁，所述悬臂梁的另一端在所述空腔内悬空。

在本发明的一个实施例中，所述第三基底还设有多个与所述悬臂梁数量相同的电极微沟道，所述电极微沟道覆盖导电金属材料。

在本发明的一个实施例中，所述第二基底设有定位柱，所述第三基底开设定位孔，所述定位柱插入所述定位孔。

本发明还提供一种MEMS三维力传感器的制备方法，制备得到如上述所述的MEMS三维力传感器，包括以下步骤：

S1、制作弹性层；

S11、在第一模具中滴入PDMS溶液，固化得到表层；

S12、将液态金属溶液倒入步骤S11中的第一模具中，固化得到液态金属层；

S13、在步骤S12得到的液态金属层的表面放置电阻丝；

S14、在第二模具中滴入PDMS溶液，固化得到第一PDMS单元；

S15、在第三模具中滴入PDMS溶液，固化得到第二PDMS单元；

S16、将步骤S13制备得到的液态金属层、步骤S14制备得到的第一PDMS单元和步骤S15制备得到的第二PDMS单元放置在第四模具中，滴入PDMS溶液，固化得到具有基底的弹性层；

S2、在第二基底的表面刻蚀出微触点单元，并在第二基底的表面涂覆PDMS溶液，固化得到力传递层；

S3、在第三基底的表面刻蚀出悬臂梁，得到力敏感层。

在本发明的一个实施例中，所述第一模具为底面为320μm×320μm的正方形、凹槽深度为200μm；所述第二模具为底面为400μm×400μm的正方形、凹槽深度为100μm；所述第三模具为底面为400μm×400μm的正方形、凹槽深度为300μm；所述第四模具为底面为400μm×400μm的正方形、凹槽深度为200μm。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的MEMS三维力传感器通过可调节传感器的灵敏度，可在不同的测量范围内实现更准确的测量，实现传感器的灵敏度与量程可调，并且提高测量精度。

本发明所述的MEMS三维力传感器可以应对多种工作条件，不同的应用环境可能具有不同的噪音水平，可变灵敏度的传感器可以根据实际工作条件调整其灵敏度，以应对不同的信号强度和噪音水平，确保准确可靠的测量。

本发明所述的MEMS三维力传感器可以避免为不同的测量范围和要求购买和维护多种不同的传感器，通过调整传感器的灵敏度，可以在同一个传感器上实现多种测量需求，从而节约成本和资源。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明中MEMS三维力传感器的结构示意图。

图2是本发明中MEMS三维力传感器的第一视角的爆炸图。

图3是本发明中MEMS三维力传感器的第二视角的爆炸图。

图4是本发明中弹性层的爆炸图。

图5是本发明中力传递层的结构示意图。

图6是本发明中力敏感层的第一视角的结构示意图。

图7是本发明中力敏感层的第二视角的结构示意图。

说明书附图标记说明：100、弹性层；101、表层；102、液态金属层；103、电阻丝；104、第一基底；200、力传递层；201、第二基底；202、微触点单元；203、定位柱；300、力敏感层；301、第三基底；302、悬臂梁；303、定位孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明，此外，在全部实施例中，相同的附图标号表示相同的元件。

经研究发现，传统的MEMS三维力传感器往往具有固定的灵敏度，无法根据实际需要进行调整，传感器的测量范围会受到限制，可能会使某些应用场景中的测量范围过大或过小，无法满足精确测量的需求。要改变传感器的灵敏度，通常需要重新设计传感器的结构，并重新组装传感器的各个模块。这个过程需要仔细评估传感器的物理特性和测量范围，以确保传感器的灵敏度得到合适地调整，同时保持其他性能指标的稳定性。然而，重新设计和调整传感器结构的过程会带来许多问题，例如需要时间和金钱投入，这可能会增加制造成本并拖延产品的上市时间。

为了解决上述问题，本发明提供了一种MEMS三维力传感器及其制备方法。

结合图1至图3，一种MEMS三维力传感器，包括：

弹性层100，包括表层101、液态金属层102和第一基底104；液态金属层102设于表层101和第一基底104之间，且液态金属层102设有电阻丝103；其中，通过控制液态金属层102的相态，进而控制弹性层100的杨氏模量；

力传递层200，包括与第一基底104贴合的第二基底201，第二基底201设有多个微触点单元202；并且，电阻丝103沿第一方向延伸与第二基底201连接；

力敏感层300，包括与第二基底201贴合的第三基底301，第三基底301设有多个悬臂梁302；其中，多个悬臂梁302至少和部分微触点单元202相对设置；

当外力施加于具有不同杨氏模量的弹性层100时，杨氏模量高的弹性层100产生的形变相对较小，进而向力敏感层300传递的相变较小，使力敏感层300产生较小信号输出。

需要说明的是，如图4所示，第一方向具体指液态金属层102的宽度方向。

在本实施例中，弹性层100的表层101和第一基底104的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

在本实施例中，力传递层200的第二基底201的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

在本实施例中，多个微触点单元202均沿力传递层200的厚度方向延伸，且多个微触点单元202延伸的距离相同。具体地，微触点单元202接触悬臂梁302的端部为尖端触点。

进一步地，多个微触点单元202按照M×N的矩阵方式排列，M≥1，N≥1。具体地，八个微触点单元202按照如图5所示的阵列方式排列。

在本实施例中，结合图6和图7，第三基底301开设多个用于安装悬臂梁302的空腔，悬臂梁302的一端抵接空腔的内壁，悬臂梁302的另一端在空腔内悬空。具体地，悬臂梁302有四个，相邻两个悬臂梁302之间形成90°的夹角。

在本实施例中，第三基底301还设有多个与悬臂梁302数量相同的电极微沟道，电极微沟道覆盖导电金属材料，其中，导电金属材料选自铜、铝、银和金中的一种。

作为一种变形，为便于后续力传递层200和力敏感层300快速组装、装配在一起，第二基底201设有定位柱203，第三基底301开设定位孔303，定位柱203插入定位孔303。优选地，定位柱203的中心和力传递层200的中心重合。

一种MEMS三维力传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、制作弹性层100；

S11、设计第一模具，第一模具的底面为320μm×320μm的正方形，第一模具的凹槽的深度为200μm。根据设计要求调配PDMS溶液，在第一模具中滴入适量的PDMS溶液，用刮刀刮平，放置在加热台，在80℃的温度条件下加热2h，静置待其凝固，进行脱模，得到表层101；

S12、将未凝固的液态金属倒入步骤S1中的第一模具中，用刀片将液态金属刮平，随后降温等待其成形，进行脱模，得到表面积为320μm×320μm、厚度为200μm的液态金属层102；

S13、在步骤S2得到的液态金属层102的表面放置适量的电阻丝103；

S14、设计第二模具，第二模具的底面为400μm×400μm的正方形，第二模具的凹槽的深度为100μm。在第二模具中滴入适量的由步骤S1制备得到的PDMS溶液，用刮刀刮平，放置在加热台，在80℃的温度条件下加热2h，静置待其凝固，进行脱模，得到第一PDMS单元；

S15、设计第三模具，第三模具的底面为400μm×400μm的正方形，第三模具的凹槽的深度为300μm。在第三模具中滴入适量的由步骤S1制备得到的PDMS溶液，用刮刀刮平，放置在加热台，在80℃的温度条件下加热2h，静置待其凝固，进行脱模，得到第二PDMS单元；

S16、将步骤S3制备得到的液态金属层102、步骤S4制备得到的第一PDMS单元和步骤S5制备得到的第二PDMS单元放置在底面积为400μm×400μm、凹槽深度为400μm的第四模具中，滴入适量的由步骤S1制备得到的PDMS溶液，用刮刀刮平，放置在加热台，在80℃的温度条件下加热2h，静置待其凝固，进行脱模，得到弹性层100。

S2、制作力传递层200；加工基于4英寸N型SOI晶圆，其器件层、埋氧层和衬底层厚度分别为5μm、1μm和300μm；

S21、首先通过低压化学气相沉积(LPCVD)的方法在SOI表面生长100nm氮化硅层，用于湿法腐蚀的掩膜保护；由于湿法腐蚀液对氧化硅掩膜层具有较快的腐蚀速率，此道工艺采用氮化硅作为湿法腐蚀的掩膜层；

S22、光刻、显影后通过反应离子刻蚀(RIE)刻蚀出需要腐蚀的窗口，此道工艺需要刻蚀LPCVD的氮化硅，由于其较高的致密性，刻蚀速率较慢，因此需要测试其刻蚀速率，防止对硅的过刻；

S23、湿法腐蚀，形成微触点单元202。具体地，采用KOH湿法腐蚀液(氢氧化钾腐蚀液)对其进行腐蚀，腐蚀速率与KOH溶液的浓度度及水浴的温度相关。KOH腐蚀液浓度为20％，在80℃水浴环境下腐蚀约3小时，得到完整的微触点单元202；

S24、背部光刻显影；采用深反应离子刻蚀(DRIE)，刻蚀出中间的圆形通孔。由于需要将圆形通孔在晶圆上刻蚀透，光刻胶选用粘稠度较高的AZ4620光刻胶，考虑硅的刻蚀速率与光刻胶的刻蚀速率比，确定匀胶速度，使光刻胶保持合理的厚度。深硅刻蚀前，需要将步骤S21中LPCVD的氮化硅刻蚀完全；

S25、力传递层200的模具制备完成后，通过倒模、脱模制备力传递层200；向制备力传递层200的模具浇筑PDMS溶液，固化得到力传递层200；其中，进行加热倒模浇筑PDMS溶液时需要倒模工具作为辅助，以形成力传递层200的外部支撑区域，此外，力传递层200的厚度可通过控制倒模工具的深度控制。

由上述可知，制作力传递层200需要先制备倒模模具，主要通过湿法刻蚀/干法刻蚀在硅片正表面刻蚀出微触点单元202与定位柱203，微触点单元202的大致形状为金字塔结构，并通过旋转匀胶的方法在其表面旋涂一定厚度的PDMS溶液，待PDMS凝固后将其取下便形成了力传递层200。

S3、制作力敏感层300；选取4英寸n型(100晶相)的SOI硅片，其器件层、埋氧层和衬底层的厚度分别为5μm、1μm和300μm，加工过程如下：

S31、在SOI硅片正表面通过热氧化的方式形成的二氧化硅层，用作第一次离子注入的硬掩膜，并通过刻蚀工艺在二氧化硅层上做光刻标记；

S32、SOI硅片的正表面旋涂光刻胶，光刻胶选用的是AZ5214光刻胶，作正胶使用，经HDMS晶片预处理系统、旋涂、前烘后形成硬掩模保护，形成的光刻胶厚度大约为2μm左右；

S33、光刻、显影，SOI硅片正表面的光刻胶图形化；通过光刻工艺，使正性光刻胶在一定强度的紫外线下发生交联反应，为二氧化硅的刻蚀开孔提供图案；

S34、刻蚀(RIE)表面氧化硅，注入硼离子，形成轻掺杂B+；刻蚀表面二氧化硅，刻蚀氧化硅的厚度为300nm，离子注入完成后，对表面光刻胶进行超声清洗；

S35、快速退火(RTA)；退火完成后，进行陪片方阻的测试，并得到离子注入剂量、注入能量及退火温度的参数。退火完成会在退火过程中形成一层薄的氧化层，需要用BOE溶液漂洗；

S36、正表面旋涂光刻胶，经光刻、显影后，刻蚀二氧化硅层形成第二次离子注入的窗口；之后进行第二次硼离子注入，并完成快速退火，对陪片方阻进行测试，确定二次硼离子注入的参数；

S37、溅射700nm铝，图形化并进行金属化处理(退火)；通过磁控溅射(FHR)的方式，在晶圆表面溅射700nm铝。光刻显影，图形化表面电极，形成电极微沟道，图形化过程中使用铝腐蚀液对表面未经光刻胶保护的铝进行腐蚀，腐蚀结束后洗净表面光刻胶，并对铝做金属化处理，形成欧姆接触。通过手动探针台对压敏电阻进行测试；

S38、等离子增强化学气相沉积(PECVD)1μm氮化硅；化学气相沉积生成1μm厚氮化硅(SiNx)作表面保护；

S39、刻蚀出打线孔；光刻显影出表面打线孔窗口并刻蚀氮化硅，检查氮化硅是否刻蚀完成，未刻蚀完成会导致无法完成引线；

S310、正表面刻蚀氮化硅、氧化硅、硅，并在埋氧层停止；表面图形化，需要将前述工艺中生长的薄膜及SOI晶圆的器件层刻蚀完全，分别需要用刻蚀步骤S31中的氮化硅以及步骤S32中的氧化硅，用深硅刻蚀SOI晶圆期间层的硅；

S311、背部刻蚀氧化硅，深硅刻蚀单晶硅，并在埋氧层停止；深硅刻蚀中，需要根据刻蚀的实际情况控制刻蚀的时间，到二氧化硅层停止；

S312、刻蚀SOI晶圆中间埋氧层，实现器件的释放。释放完成，通过激光切割沿预留的切割道，完成传感器的切割。

本发明的工作原理如下：

本发明设计的MEMS三维力传感器力的灵敏度可调的感知原理是基于硅基压阻效应和悬臂梁结构实现的。压阻效应是一种物理现象，是指当半导体受到应力作用时，由于应力引起能带的变化，能谷的能量移动，使其电阻率发生变化的现象。在微弹性范围内，半导体材料的压阻效应是可逆的。基于这种可逆的压阻效应，本发明搭建了机械力学信号和电信号之间的信号转化桥梁。当外力施加在传感器上时，力敏感层300的悬臂梁302发生形变，悬臂梁302的端部即远离力敏感层300中心的一端产生应力集中，导致悬臂梁302的端部压阻区电阻值变化。通过测量电阻值的变化，可以获得压力信息。利用惠斯通电桥电路作为检测电路，通过检测电桥的输出电压信号来确定受力大小。MEMS三维力传感器受到垂直负载时即MEMS三维力传感器受到法向力时，法向力对四个悬臂梁302影响一致，可以通过悬臂梁302的均值电阻进行检测；MEMS三维力传感器受到水平负载时即MEMS三维力传感器受到切向力时，切向力引起悬臂梁302的阻值变化不一致，可以通过两侧的悬臂梁302阻值的变化差异进行检测。

其中，MEMS三维力传感器力灵敏度可调的原理如下：弹性层100由PDMS和液态金属组成，不同温度下，弹性层100的液态金属的相态不同，导致弹性层100整体等效杨氏模量发生改变，受力时产生的形变存在差异进而导致力敏感层300的悬臂梁302的形变不同，从而实现传感器输出信号的调整。其中，在弹性层100的制作中，在液态金属层102的表面缠绕电阻丝，以控制液态金属相态，进一步实现传感器灵敏度可调。

由上述可知，本发明提供的MEMS三维力传感器中的弹性层100作为感应力的重要组件，其杨氏模量的变化会直接影响力的传导和变形。通过控制杨氏模量，可以调节弹性层100的刚度，从而改变传感器对力的敏感度。当弹性层100的杨氏模量较高时，传感器对外界力的响应更为灵敏，可以检测到较小的力变化；而当弹性层100的杨氏模量较低时，传感器对力的敏感度较低，才能适应处理较大的力信号。

当MEMS三维力传感器力应用在触诊手术中，外科医生需要用具有高灵敏度的传感器小范围的识别早期肿瘤或可疑病变区域，需要用具有大量程的传感器识别皮下深层的结节，大量程和高灵敏度是不可以兼得的，因此，需要探头的灵敏度和量程智能可调，将灵敏度可调的MEMS三维力传感器，集成到触诊探头中，通过调节传感器的灵敏度，进而实现探头灵敏度和量程可调手术夹钳的灵敏度可调对于加强组织的安全性至关重要。当手术夹钳用于外科缝合的针时，大量程是优选的，当手术夹钳用于夹取组织时，高灵敏度较小量程是优选，同理，将灵敏度可调的MEMS三维力传感器，集成到夹钳上，通过调节传感器的灵敏度和量程，进而实现手术夹钳的灵敏度可调。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种MEMS三维力传感器，其特征在于，包括：

弹性层(100)，包括表层(101)、液态金属层(102)和第一基底(104)；所述液态金属层(102)设于所述表层(101)和所述第一基底(104)之间，且所述液态金属层(102)设有电阻丝(103)；其中，通过控制所述液态金属层(102)的相态，进而控制所述弹性层(100)的杨氏模量；

力传递层(200)，包括与所述第一基底(104)贴合的第二基底(201)，所述第二基底(201)设有多个微触点单元(202)；并且，所述电阻丝(103)沿第一方向延伸与所述第二基底(201)连接；

力敏感层(300)，包括与所述第二基底(201)贴合的第三基底(301)，所述第三基底(301)设有多个悬臂梁(302)；其中，多个所述悬臂梁(302)至少和部分所述微触点单元(202)相对设置；

当外力施加于具有不同杨氏模量的所述弹性层(100)时，杨氏模量高的所述弹性层(100)产生的形变相对较小，进而向所述力敏感层(300)传递的相变较小，使所述力敏感层(300)产生较小信号输出。

2.根据权利要求1所述的MEMS三维力传感器，其特征在于，所述弹性层(100)的表层(101)和第一基底(104)的材质为聚二甲基硅氧烷。

3.根据权利要求1所述的MEMS三维力传感器，其特征在于，所述力传递层(200)的第二基底(201)的材质为聚二甲基硅氧烷。

4.根据权利要求1所述的MEMS三维力传感器，其特征在于，多个所述微触点单元(202)均沿所述力传递层(200)的厚度方向延伸，且多个所述微触点单元(202)延伸的距离相同。

5.根据权利要求1所述的MEMS三维力传感器，其特征在于，所述微触点单元(202)接触所述悬臂梁(302)的端部为尖端触点。

6.根据权利要求1所述的MEMS三维力传感器，其特征在于，所述第三基底(301)开设多个用于安装所述悬臂梁(302)的空腔，所述悬臂梁(302)的一端抵接所述空腔的内壁，所述悬臂梁(302)的另一端在所述空腔内悬空。

7.根据权利要求6所述的MEMS三维力传感器，其特征在于，所述第三基底(301)还设有多个与所述悬臂梁(302)数量相同的电极微沟道，所述电极微沟道覆盖导电金属材料。

8.根据权利要求1所述的MEMS三维力传感器，其特征在于，所述第二基底(201)设有定位柱(203)，所述第三基底(301)开设定位孔(303)，所述定位柱(203)插入所述定位孔(303)。

9.一种MEMS三维力传感器的制备方法，制备得到如权利要求1-8中任意一项所述的MEMS三维力传感器，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制作弹性层(100)；

S11、在第一模具中滴入PDMS溶液，固化得到表层(101)；

S12、将液态金属溶液倒入步骤S11中的第一模具中，固化得到液态金属层(102)；

S13、在步骤S12得到的液态金属层(102)的表面放置电阻丝(103)；

S14、在第二模具中滴入PDMS溶液，固化得到第一PDMS单元；

S15、在第三模具中滴入PDMS溶液，固化得到第二PDMS单元；

S16、将步骤S13制备得到的液态金属层(102)、步骤S14制备得到的第一PDMS单元和步骤S15制备得到的第二PDMS单元放置在第四模具中，滴入PDMS溶液，固化得到具有基底(104)的弹性层(100)；

S2、在第二基底(201)的表面刻蚀出微触点单元(202)，并在第二基底(201)的表面涂覆PDMS溶液，固化得到力传递层(200)；

S3、在第三基底(301)的表面刻蚀出悬臂梁(302)，得到力敏感层(300)。

10.根据权利要求9所述的MEMS三维力传感器的制备方法，其特征在于，所述第一模具为底面为320μm×320μm的正方形、凹槽深度为200μm；所述第二模具为底面为400μm×400μm的正方形、凹槽深度为100μm；所述第三模具为底面为400μm×400μm的正方形、凹槽深度为300μm；所述第四模具为底面为400μm×400μm的正方形、凹槽深度为200μm。