一种仿生微悬臂梁结构、其制造方法及压阻传感器技术

本发明专利技术提供了一种仿生微悬臂梁结构、其制造方法及压阻传感器，所述微悬臂结构包括：呈悬臂梁结构的硅衬底、设置在所述硅衬底中的仿生孔缝组，以及设置在所述硅衬底上表面的梁上压敏电阻、衬底压敏电阻和电极引线；两个所述仿生孔缝组呈对称排列在所述硅衬底中心轴左右两侧；所述仿生孔缝组包括至少一条仿生缝；仿生缝为基于蝎子缝感受器仿生而成；所述梁上压敏电阻与衬底压敏电阻之间通过电极引线构成惠斯通电桥。本发明专利技术基于彼得异蝎跗骨关节处缝感受器应力放大的机理，同时应用微纳制造技术设计出一种超敏感知微信息的微悬臂梁结构。本发明专利技术提供的微悬臂梁结构具有灵敏度高、检测精度高、易于批量生产等特征。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生微悬臂梁结构、其制造方法及压阻传感器
本专利技术涉及传感器制造
，尤其涉及的是一种仿生微悬臂梁结构、其制造方法及压阻传感器。
技术介绍
近年来，基于微悬臂梁结构的传感器已经成为微机电系统领域的研究热点。含有微悬臂梁结构的传感器具有结构轻巧，传感灵敏，分辨率高等特性，在加速度检测，质量检测，生化成分分析等方面具有广泛的应用。微悬臂梁结构作用机理是悬臂梁在外力作用下产生形变，形变量乘以悬臂梁法向弹性系数，从而得到悬臂梁所受外力大小。检测悬臂梁变形的电学方式有压电式、电容式和压阻式。其中压阻式通过在悬臂梁上设置对形变敏感的压敏电阻，当悬臂梁受力产生形变时，会导致梁上压敏电阻阻值产生变化，通过电桥的放大作用，将悬臂梁形变导致的电压变化放大，通过计算得到悬臂梁受力值。微悬臂梁检测灵敏度取决于悬臂梁的几何尺寸，检测的带宽主要取决于悬臂梁结构的第一阶固有频率。灵敏度和带宽往往是一对矛盾的量，若从几何尺寸出发，比如增加悬臂梁的长度或者减小悬臂梁的厚度，则会提高悬臂梁的灵敏度，但是悬臂梁检测的带宽会随之减小。因此，采用传统提高悬臂梁检测灵敏度的方法不能保持悬臂梁足够的检测带宽。因此，现有技术还有待于进一步的改进。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为用户提供一种仿生微悬臂梁结构、其制造方法及压阻传感器，克服现有技术中微悬臂梁的检测灵敏度随着悬臂梁长度的增加或厚度的减小而增加，但检测带宽随着悬臂梁长度的增加或厚度的减小而减小的缺陷。本专利技术提供的第一实施例为一种仿生微悬臂梁结构，包括：呈悬臂梁结构的硅衬底、设置在所述硅衬底中的两个仿生孔缝组，以及设置在所述硅衬底上表面的梁上压敏电阻、衬底压敏电阻和电极引线；两个所述仿生孔缝组呈对称排列在所述硅衬底中心轴左右两侧；各个所述仿生孔缝组内包括：至少一条仿生缝；所述仿生缝为基于蝎子缝感受器仿生而成；所述梁上压敏电阻与衬底压敏电阻之间通过电极引线构成惠斯通电桥。可选的，所述仿生孔缝组内的每一条仿生缝设置为贯穿所述硅衬底。可选的，两个所述梁上压敏电阻呈U型分别对应包围两个所述仿生孔缝组。可选的，每条所述仿生缝的两侧尖端按照蝎子缝感受器内仿生缝的外形特征设计为半圆形。可选的，所述呈悬臂梁结构的硅衬底为T型结构；所述衬底压敏电阻和电极引线布局在所述T型结构上端的硅衬底表面上，所述梁上压敏电阻与所述仿生孔缝组均布局在所述T型结构下端的硅衬底表面上。可选的，所述仿生缝长10~200微米，仿生缝的长宽比值为4~20，仿生缝之间的距离为5~100微米。可选的，各个仿生缝之间相互平行排列。可选的，各个所述仿生缝长度、长宽比以及仿生缝之间的距离均不相同。本专利技术提供的第二实施例为一种仿生微悬臂梁结构的制造方法，其中，包括：采用硅片作为衬底，在硅片表面氧化出一层二氧化硅绝缘层；在硅片上光刻出衬底压敏电阻和梁上压敏电阻的图形区域，并在所述衬底压敏电阻图形区域制作出衬底压敏电阻和梁上压敏电阻；光刻出压敏电阻引线图形，用金属溅射工艺溅射一层金属薄膜，在腐蚀、去胶之后形成衬底压敏电阻与梁上压敏电阻之间的引线；在硅片上蚀刻出贯穿硅片的仿生孔缝组；从硅片背面进行离子刻蚀，释放出悬臂梁结构。本专利技术提供的第三实施例为一种压阻传感器，其中，包括：底座和设置在所述底座上的所述的仿生微悬臂梁结构。有益效果，本专利技术提供了一种仿生微悬臂梁结构、其制造方法及压阻传感器，所述仿生微悬臂梁结构包括：呈悬臂梁结构的硅衬底、设置在所述硅衬底中的仿生孔缝组，以及设置在所述硅衬底上表面的梁上压敏电阻、衬底压敏电阻和电极引线；所述仿生缝为基于蝎子缝感受器仿生而成；所述梁上压敏电阻与衬底压敏电阻之间通过电极引线构成惠斯通电桥。本专利技术基于彼得异蝎跗骨关节处缝感受器应力放大的机理，同时应用微纳制造技术设计出一种超敏感知微信息（力、位移、振动、加速度）的微悬臂梁结构。本专利技术提供的微悬臂梁结构具有灵敏度高、检测精度高、易于批量生产等特征。附图说明图1是本专利技术提供的所述仿生微悬臂梁结构的立体图；图2是本专利技术所提供的所述仿生微悬臂梁结构中衬底压敏电阻和梁上压敏电阻由电极引线连接形成惠斯通电路的结构图；图3是惠斯通电路的电路原理图；图4为电子显微镜观察到的彼得异蝎跗骨关节处缝感受器的孔缝组分布图；图5为电子显微镜观察到的彼得异蝎跗骨关节处缝感受器内单个孔缝尖端形状图；图6为悬臂梁受力形变示意图；图7为有限元分析软件ABAQUS对本专利技术中悬臂梁和不含孔缝结构的悬臂梁受力分析结果图；图8是本专利技术提供的所述仿生微悬臂梁结构的制造方法的步骤流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1本专利技术提供的第一实施例为一种仿生微悬臂梁结构1，如图1所示，包括：呈悬臂梁结构的硅衬底2、设置在所述硅衬底2中的两个仿生孔缝组3，以及设置在所述硅衬底2上表面的梁上压敏电阻4、衬底压敏电阻5和电极引线6；所述仿生孔缝组3内的每一条仿生缝7设置为贯穿所述硅衬底2，且两个所述仿生孔缝组3呈对称排列在所述硅衬底中心轴左右两侧；各个所述仿生孔缝组3内包括：至少一条仿生缝7；各个仿生缝7之间相互平行；所述仿生缝7为基于蝎子缝感受器仿生而成；所述梁上压敏电阻4与衬底压敏电阻5之间通过电极引线6构成惠斯通电桥。具体的，如图1所示，本专利技术所提供的仿生微悬臂梁结构，使用硅材料作为衬底，将硅片设计成悬臂梁结构，并在悬臂梁结构的硅衬底上表面上分别布局仿生孔缝组和由四个等同的压敏电阻组成的惠斯通电桥。惠斯通电桥的连线方式如图2所示，惠斯通电桥的电路原理如图3所示。其中Vd为输入电压，V1与V2为电压输出端。两个梁上压敏电阻分别为R1和R2，两个梁下压敏电阻分别为R3和R4；R1的一端连接Vd，R4的一端连接Vd，即R4连接Vd的一端与R1串联；R1的另一端与R3的一端串联，且从R1和R3的连线上引出一端为电压V1的输出端；R4的另一端与R2的一端串联，且从R4和R2的连线上引出一端为电压V2的输出端；R2的另一端接地，R3的另一端接地，即R2的另一端与R3的另一端串联接地。由于四个压敏元件的制作工艺以及参数完全相同，因此四个压敏元件的阻值全部相同，当梁没有形变时，惠斯通电桥内的四个电阻阻值相同，此时输出端V1与V2之间没有电压输出。当梁受力产生形变时，位于梁上的两个压敏元件的电阻产生变化，导致输出端V1与V2之间的电压产生变化，通过这两个输出端的输出电压差，就可以得到梁形变转换到的电压信号，进而反映悬臂梁的受力情况。惠斯通电桥的输出满足下列关系式：（1）（2）式中为输入电压，输出电压满足下列关系：（3）设悬臂梁未形变时四个电阻值相等都为R，此时输出电压为0。当悬臂梁形变时，梁上压敏电阻阻值变化，设梁上压敏电阻变化量相等，阻值为，则此时输出电压为：（4）进一步的，每个仿生孔缝组内至少包含一条仿生缝7，各个仿生缝7之间平行排列。较佳的，每个仿生孔缝组内包含2-10条仿生缝，仿生缝7之间间距10-100微米，也可以设置仿生缝7之间间距相等，也可以设置仿生缝7之间的间距不相同。各个所述仿生缝长度、长宽比也可以设置为相同也可以设置为不相同。所述仿生缝7为基于蝎子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生微悬臂梁结构，其特征在于，包括：呈悬臂梁结构的硅衬底、设置在所述硅衬底中的两个仿生孔缝组，以及设置在所述硅衬底上表面的梁上压敏电阻、衬底压敏电阻和电极引线；两个所述仿生孔缝组呈对称排列在所述硅衬底中心轴左右两侧；各个所述仿生孔缝组内包括：至少一条仿生缝；所述仿生缝为基于蝎子缝感受器仿生而成；所述梁上压敏电阻与衬底压敏电阻之间通过电极引线构成惠斯通电桥。

【技术特征摘要】
1.一种仿生微悬臂梁结构，其特征在于，包括：呈悬臂梁结构的硅衬底、设置在所述硅衬底中的两个仿生孔缝组，以及设置在所述硅衬底上表面的梁上压敏电阻、衬底压敏电阻和电极引线；两个所述仿生孔缝组呈对称排列在所述硅衬底中心轴左右两侧；各个所述仿生孔缝组内包括：至少一条仿生缝；所述仿生缝为基于蝎子缝感受器仿生而成；所述梁上压敏电阻与衬底压敏电阻之间通过电极引线构成惠斯通电桥。2.根据权利要求1所述的仿生微悬臂梁结构，其特征在于，所述仿生孔缝组内的每一条仿生缝设置为贯穿所述硅衬底。3.根据权利要求1所述的仿生微悬臂梁结构，其特征在于，两个所述梁上压敏电阻呈U型分别对应包围两个所述仿生孔缝组。4.根据权利要求3所述的仿生微悬臂梁结构，其特征在于，每条所述仿生缝的两侧尖端按照蝎子缝感受器内仿生缝的外形特征设计为半圆形。5.根据权利要求4所述的仿生微悬臂梁结构，其特征在于，所述呈悬臂梁结构的硅衬底为T型结构；所述衬底压敏电阻和电极引线布局在所述T型结构上端的硅衬底表面上，所述梁上压敏电阻与所述仿生孔缝组均布局在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩志武，赵宇峰，侯涛，刘富，刘云，王跃桥，宋阳，游子跃，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22