一种具有闭环功能的微力加载机构及其制作工艺与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种具有闭环功能的微力加载机构及其制作工艺与应用，其中，所述机构包括U型支撑架(1)，在所述U型支撑架(1)的内侧面上水平设置有悬臂梁(21)，其中，在所述悬臂梁(21)的上表面、靠近自由端处设置有压电驱动结构(211)，在所述悬臂梁(21)的根部设置有压敏检测结构(212)；其中，在电场作用下，所述压电驱动结构(211)驱使悬臂梁(21)的自由端发生位移，对样品施加微力，同时，悬臂梁(21)的根部发生变形，压敏检测结构(212)因其根部的形变产生输出电压，能够测量对样品施加的微力。本发明专利技术所述微力加载机构可以对样品施加微力，并且其实现了闭环功能，可以对产生的微力及时地进行反馈，且其制作工艺简单，易于实现。

【技术实现步骤摘要】
一种具有闭环功能的微力加载机构及其制作工艺与应用
本专利技术涉及传感器
，尤其涉及微力加载系统，具体地，涉及一种具有闭环功能的微力加载机构及其制作工艺与应用。
技术介绍
随着纳米科技的迅速发展，微力加载作为微尺度环境下的一种重要测试手段已经受到了人们的广泛关注，它可以应用于微装配、微操作系统、生物力学测试、生物微操作、扫描力显微镜、原子力显微镜、台阶仪和划痕仪等领域。但是，目前的微力加载不具有闭环功能，即不能对施加的微力进行监测，没有微力反馈功能，这样，在操作时不能实现微力加载的可测性，因此，在现阶段还不能得到很好的应用。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，设计了一种悬臂梁式微力加载机构，其中，在悬臂梁的自由端设置有压电驱动结构，所述压电驱动装置利用逆压电效应在电场下可以驱动设置在悬臂梁的自由端向下的微力加载触点对接触体产生微力，在悬臂梁的根部设置有压敏检测结构，所述压敏检测结构可以对压电驱动装置产生的微力进行检测，起到微力反馈的作用，赋予所述微力加载机构闭环功能，从而完成本专利技术。本专利技术一方面提供了一种具有闭环功能的微力加载机构，具体体现在以下几方面：(1)一种具有闭环功能的微力加载机构，其中，所述机构包括U型支撑架1，在所述U型支撑架1的内侧面上水平设置有悬臂梁21，其中，在所述悬臂梁21的上表面、靠近自由端处设置有压电驱动结构211，在所述悬臂梁21的根部设置有压敏检测结构212；其中，悬臂梁21与U型支撑架1连接的一端为悬臂梁21的根部，另一端为悬臂梁21的自由端。(2)根据上述(1)所述的微力加载机构，其中，在所述悬臂梁21的自由端处向下设置有微力加载触点22。(3)根据上述(1)或(2)所述的微力加载结构，其中，所述压电驱动结构211由下而上依次包括绝缘层2111、底电极2112、双层压电子结构2113和顶电极2114，优选地，所述双层压电子结构2113自下而上依次包括第一压电薄膜材料层21131、中间电极21132和第二压电薄膜材料层21133。(4)根据上述(3)所述的微力加载结构，其中，所述底电极2112为Ti/Pt电极，所述顶电极2114为Pt电极，所述中间电极21132为Pt电极。(5)根据上述(3)所述的微力加载结构，其中，所述第一压电薄膜材料层21131和所述第二压电薄膜材料层21133均采用Li掺杂的ZnO薄膜材料。(6)根据上述(5)所述的微力加载机构，其中，锂的掺杂量为3～10％，优选为3～8％，更优选为5％。(7)根据上述(1)所述的微力加载机构，其中，所述压敏检测结构212由四个压敏电阻构成，分别为第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3和第四压敏电阻R4，优选地，所述四个压敏电阻构成惠斯通桥结构。(8)根据上述(1)至(7)之一所述的微力加载机构，其中，所述U型支撑架1的高度为450～525μm，优选为450～500μm，更优选为450～480μm；和/或所述悬臂梁21的厚度为5～20μm，优选为5～15μm，更优选为5～8μm。本专利技术另一方面提供了一种上述具有闭环功能的微力加载机构的制作工艺，具体如下：(9)一种上述(1)至(8)之一所述的具有闭环功能的微力加载机构的制作工艺，其中，所述制作工艺包括以下步骤：步骤1、清洗SOI硅片，优选为器件层为<100>晶向n型单晶硅；步骤2、一次氧化，采用热氧化法在单晶硅表面生长二氧化硅层，厚度约为50nm；步骤3、一次光刻，形成p+区窗口，采用离子注入工艺注入高浓度硼，形成p+区；步骤4、二次光刻，形成p-区窗口，采用离子注入工艺注入低浓度硼，形成p-区，得到第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3和第四压敏电阻R4，去除二氧化硅层；步骤5、清洗，二次氧化，采用热氧化法在单晶硅表面生长二氧化硅层，厚度约为600nm；步骤6、三次光刻，刻蚀惠斯通电桥结构引线孔；步骤7、蒸镀金属电极层，厚度200nm，并进行四次光刻，刻蚀金属电极，形成互连线；步骤8、五次光刻，采用磁控溅射方法在二氧化硅层上生长底电极2112，通过光刻胶金属剥离工艺形成有效底电极层；步骤9、清洗，六次光刻，采用磁控溅射方法生长第一压电薄膜材料层21131、中间电极21132和第二压电薄膜材料层21133，并通过光刻胶去胶形成有效压电材料图形；步骤10、七次光刻，采用磁控溅射方法生长顶电极2114，通过光刻胶去胶形成有效顶电极层；步骤11、在顶电极上面进行钝化层的生长，采用化学气相沉积生长钝化层，八次光刻，形成惠斯通电桥结构引出的压焊点、顶电极引出的压焊点21141和底电极引出的压焊点21121；清洗，合金化30min，形成较好的欧姆接触；步骤12、九次光刻，通过ICP工艺，单晶硅片背面形成腐蚀坑(硅杯结构)；步骤13、十次光刻，单晶硅正面ICP刻蚀，释放悬臂梁，得到所述具有闭环功能的微力加载机构。本专利技术第三方面提供了一种本专利技术第一方面所述的具有闭环功能的微力加载机构用作测试仪器的测试探针的用途，优选用作扫描力显微镜、原子力显微镜、台阶仪或划痕仪的测试探针的用途，更优选用于微力加载系统。附图说明图1示出本专利技术所述具有闭环功能的微力加载机构的结构示意图；图2示出压敏检测结构的等效电路图；图3-a示出所述压电驱动结构在无外加电场下的微力加载示意图；图3-b示出所述压电驱动结构在外加电场下的微力加载示意图；图4-1～图4-13示出所述微力加载机构的制作工艺流程图。附图标记说明1-U型支撑架；21-悬臂梁；211-压电驱动结构；2111-绝缘层；2112-底电极；2113-双层压电子结构；21131-第一压电薄膜材料层；21132-中间电极；21133-第二压电薄膜材料层；2114-顶电极；212-压敏检测结构；R1-第一压敏电阻；R2-第二压敏电阻；R3-第三压敏电阻；R4-第四压敏电阻；22-微力加载触点；Vout-输出电压；Vout1-第一输出电压；Vout2-第二输出电压；VDD-电源；GND-接地。具体实施方式下面通过对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。本专利技术一方面提供了一种具有闭环功能的微力加载机构，如图1所示，所述机构包括U型支撑架1，在所述U型支撑架1的内侧面上水平设置有悬臂梁21，在所述悬臂梁21的自由端向下设置有微力加载触点22。其中，悬臂梁21与U型支撑架1连接的一端为悬臂梁21的根部，另一端为悬臂梁21的自由端，其可以在力的作用下进行上下方向微小的移动，继而带动微力加载触点22也随之移动，而悬臂梁的根部则会发生弯曲形变。根据本专利技术一种优选的实施方式，如图1所示，在所述悬臂梁21的上表面、靠近自由端处设置有压电驱动结构211。其中，所述压电驱动结构211用于在电场下产生弹性形变，作用悬臂梁21上，继而引起悬臂梁自由端处的微力加载触点22对被测样品产生微力。在进一步优选的实施方式中，如图1所示，所述压电驱动结构211由下而上依次包括绝缘层2111、底电极2112、双层压电子结构2113和顶电极2114。在更进一步优选的实施方式中，如图1所示，所述双层压电子结构2113自下而上依次包括第一压电薄膜材料层21131、中间电极21132和第二压电薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有闭环功能的微力加载机构，其特征在于，所述机构包括U型支撑架(1)，在所述U型支撑架(1)的内侧面上水平设置有悬臂梁(21)，其中，在所述悬臂梁(21)的上表面、靠近自由端处设置有压电驱动结构(211)，在所述悬臂梁(21)的根部设置有压敏检测结构(212)；其中，悬臂梁(21)与U型支撑架1连接的一端为悬臂梁(21)的根部，另一端为悬臂梁(21)的自由端。

【技术特征摘要】
1.一种具有闭环功能的微力加载机构，其特征在于，所述机构包括U型支撑架(1)，在所述U型支撑架(1)的内侧面上水平设置有悬臂梁(21)，其中，在所述悬臂梁(21)的上表面、靠近自由端处设置有压电驱动结构(211)，在所述悬臂梁(21)的根部设置有压敏检测结构(212)；其中，悬臂梁(21)与U型支撑架1连接的一端为悬臂梁(21)的根部，另一端为悬臂梁(21)的自由端。2.根据权利要求1所述的微力加载机构，其特征在于，在所述悬臂梁(21)的自由端处向下设置有微力加载触点(22)。3.根据权利要求1或2所述的微力加载结构，其特征在于，所述压电驱动结构(211)由下而上依次包括绝缘层(2111)、底电极(2112)、双层压电子结构(2113)和顶电极(2114)，优选地，所述双层压电子结构(2113)自下而上依次包括第一压电薄膜材料层(21131)、中间电极(21132)和第二压电薄膜材料层(21133)。4.根据权利要求3所述的微力加载结构，其特征在于，所述底电极(2112)为Ti/Pt电极，所述顶电极(2114)为Pt电极，所述中间电极(21132)为Pt电极。5.根据权利要求3所述的微力加载结构，其特征在于，所述第一压电薄膜材料层(21131)和所述第二压电薄膜材料层(21133)均采用Li掺杂的ZnO薄膜材料。6.根据权利要求5所述的微力加载机构，其特征在于，锂的掺杂量为3～10％，优选为3～8％，更优选为5％。7.根据权利要求1所述的微力加载机构，其特征在于，所述压敏检测结构(212)由四个压敏电阻构成，分别为第一压敏电阻(R1)、第二压敏电阻(R2)、第三压敏电阻(R3)和第四压敏电阻(R4)，优选地，所述四个压敏电阻构成惠斯通桥结构。8.根据权利要求1至7之一所述的微力加载机构，其特征在于，所述U型支撑架(1)的高度为450～525μm，优选为450～500μm，更优选为450～480μm；和/或所述悬臂梁(21)的厚度为5～20μm，优选为5～15μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓锋，李森，刘媛媛，艾春鹏，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23