一种抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种可抗干扰的多集成MEMS触觉传感器及其制作方法。本发明专利技术包括基板，所述基板为硅制成的晶片；温度传感器，位于所述基板上，压力传感器，位于所述基板上；热电红外探测器，位于所述基板上；导热传感器，位于所述基板上，所述导热传感器自下而上包括下部硅衬底、上部硅衬底、电绝缘层、同心铬/铂薄膜层。本发明专利技术中同心铬/铂薄膜层采取了同心方形环状结构，其内环与外环之间存在着一定的空间，这种设计既可消除导热传感器中的温度漂移和弯曲/拉伸应变，又可以避免内环对外环产生热干扰。本发明专利技术在低成本、小体积的前提下，对接触物体可以实现多维度的测量，可以同时感知接触物体的导热性，接触压力，感测外界温度和热辐射情况。况。况。

【技术实现步骤摘要】
一种抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器及其制作方法


[0001]本专利技术提供一种可抗干扰的多集成MEMS触觉传感器及其制作方法，该触觉传感器能够实现接触式温度测量、红外温度测量、导热率测量和压力测量的功能。

技术介绍

[0002]多模态触觉感知对于实现环境判断、威胁识别和精细运动任务非常重要，细腻准确的触觉能力对于机器人和假肢的复杂应用也非常重要。多集成触觉传感器可以使机器人能够准确、快速、安全地与其周围环境进行交互。此前许多研究人员提出了基于压阻、电容、摩擦电、驻极体、磁性等各种触觉传感器，还开发了多感官电子皮肤(e
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skins)通过将不同的传感器直接集成到具有堆叠或平面结构的传感网络或阵列中，或者使用定制的先进材料和对物理刺激敏感的微结构。虽然目前触觉传感器的发展取得了显着成果，但它们仍然需要复杂的结构和制造方案，并且往往在同时感知多个刺激时存在相互干扰的问题。
[0003]单芯片集成复合传感器是下一代传感节点的理想选择，通过将各种传感元件与微机电系统(MEMS)技术集成在单个芯片上，单片复合传感器将具有更小尺寸、更低功耗和更低组装成本的优势。通过利用现代IC/MEMS代工厂的制造技术，可以最大限度地提高传感器的均匀性并最大限度地降低产品成本。
[0004]触觉感知在机器人技术中对于物体识别或抓取任务也很有用。现有的触觉物体识别主要基于压力/力感应。然而，对于复杂的物体识别，只有压力/力感应是不够的。具有相似机械特性的物质不能仅通过接触压力来区分，根据这点，可以利用不同的材料具有不同的热导率这一点，将热特性与物体的机械特征相结合，以提高识别精度。因此本专利技术提供一种具有抗干扰能力的多集成MEMS触觉传感器，对于工业应用和机械手的设计等具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种可以同时实现压力传感、温度传感、导热率测量和红外传感功能的抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器。
[0006]一种抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器，包括：
[0007]基板，所述基板为硅制成的晶片；
[0008]温度传感器，位于所述基板上，所述温度传感器自下而上包括电绝缘层、热敏电阻，所述电绝缘层与所述热敏电阻直接接触；
[0009]压力传感器，位于所述基板上，所述压力传感器自下而上依次包括电绝缘层、压力腔室以及压敏电阻，所述电绝缘层与所述压力腔室直接接触且延伸至所述压力腔室上表面，所述压敏电阻位于所述压力腔室上表面，并与延伸出的所述电绝缘层直接接触；
[0010]热电红外探测器，位于所述基板上，所述热电红外探测器自下而上包括电绝缘层、凹腔、中心凸台、氮化硅吸收层和热电偶，所述凹腔位于所述基板上，所述中心凸台位于所述凹腔的中心，所述氮化硅吸收层位于所述基板上并水平延伸至所述中心凸台上表面，所
述氮化硅吸收层悬置在所述凹腔的正上方，所述热电偶位于所述氮化硅吸收层上表面，所述电绝缘层与所述氮化硅吸收层直接接触；
[0011]导热传感器，位于所述基板上，所述导热传感器自下而上包括下部硅衬底、上部硅衬底、电绝缘层、同心铬/铂薄膜层，所述下部硅衬底位于所述基板上，所述上部硅衬底由底层至顶层包括底部硅层、多孔材料层、PDMS层、顶部硅层，所述底部硅层位于所述基板上，所述多孔材料层位于所述底部硅层上，所述PDMS层位于所述多孔材料层上，所述顶部硅层位于所述PDMS层上，所述同心铬/铂薄膜层分别位于所述底部硅层和所述顶部硅层上，所述电绝缘层位于下部硅衬底上并水平延伸至上部硅衬底上，所述电绝缘层悬置在所述基板的正上方，所述电绝缘层与同心铬/铂薄膜层直接接触。
[0012]进一步说，所述温度传感器中所述的电绝缘层数量为2个，分别位于所述热敏电阻的下方并与所述热敏电阻直接接触，所述电绝缘层与所述热敏电阻均位于所述基板上。
[0013]进一步说，所述压力传感器中所述的压力腔室整体为长方体结构，所述的压力腔室内部为真空，所述的压敏电阻数量为4个，均位于所述压力腔室外部上表面且互相间隔一定距离，所述电绝缘层数量亦为4个且互不接触，均位于所述基板上，延伸至所述压力腔室上表面，所述电绝缘层与所述压力腔室、所述压敏电阻直接接触。
[0014]进一步说，所述热电红外探测器中所述的凹腔位于所述基板上，由蚀刻而成，所述中心凸台位于所述凹腔的中心，所述中心凸台的高度与所述凹腔的深度相等，所述氮化硅吸收层共15个，其分布为：左上方4个，右上方4个，左下方4个，右下方3个，所述氮化硅吸收层位于所述基板上并水平延伸至所述中心凸台上表面，所述氮化硅吸收层悬置于所述凹腔上方，所述热电偶数量亦为15个，分别分布在15个所述氮化硅吸收层的上表面，所述电绝缘层数量为2个，位于所述基板上右下方，与同方向其余3个所述氮化硅吸收层平行，并水平延伸至所述中心凸台上表面，所述电绝缘层悬置于所述凹腔上方。
[0015]进一步说，所述导热传感器中所述的上部硅衬底与所述的下部硅衬底拥有相等的高度和宽度，所述的下部硅衬底只有硅，所述的上部硅衬底是由自底层到顶层的底部硅层、多孔材料层、PDMS层、顶部硅层叠加构成，所述的同心铬/铂薄膜层分别位于所述底部硅层和顶部硅层上，所述的同心铬/铂薄膜层为方形，所述的电绝缘层数量为4个，分别位于下部硅衬底上并水平延伸至所述上部硅衬底上表面，所述电绝缘层与所述同心铬/铂薄膜层的4个端分别直接接触。
[0016]一种抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器的制作方法，包括以下步骤：
[0017]制造4英寸硅晶片，通过硼铁注入对衬底进行掺杂。然后衬底在氧气中退火，在1100℃的环境中保持65分钟，以激活杂质掺杂并同时获得0.5μm厚的热氧化层。接下来，通过低压化学气相沉积0.5μm厚的低应力氮化硅膜。制造的二氧化硅/氮化硅薄膜充当所述压力传感器和温度传感器的电绝缘层。在所述热电红外探测器部分，通过反应离子蚀刻去除二氧化硅/氮化硅薄膜，以减少最终吸收膜的厚度。
[0018]通过低压化学气相沉积法依次沉积并图案化2μm厚的低温氧化物和0.25μm厚的磷硅酸盐玻璃。磷硅酸盐玻璃/低温氧化物层用作所述压力传感器的牺牲结构。低温氧化物定义了功能层和基板之间的间隙。覆盖低温氧化物的磷硅酸盐玻璃层可以加快横向蚀刻速度，其中磷的含量决定了蚀刻速度。侧向释放孔由磷硅酸盐玻璃组成，便于后期密封。
[0019]通过低压化学气相沉积在875℃下沉积1.2μm厚的LS
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氮化硅。该多功能层用作所
述压力传感器中的压力腔室，以及所述热电红外探测器中的吸收膜。通过调节气体的流速，调整富硅的氮化硅从而达到100MPa左右的低残余拉伸应力，由激光扫描轮廓仪测量。然后在620℃下通过低压化学气相沉积法沉积0.8μm厚的细粒多晶硅，然后进行B+注入，图案化多晶硅层以形成所述压敏电阻、热电偶和热敏电阻。接下来，通过反应离子蚀刻对1.2μm厚的LS
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氮化硅薄膜进行构图，打开释放孔进行牺牲层刻蚀。
[0020]用40％本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器，其特征在于，包括：基板，所述基板为硅制成的晶片；温度传感器，位于所述基板上，所述温度传感器自下而上包括电绝缘层、热敏电阻，所述电绝缘层与所述热敏电阻直接接触；压力传感器，位于所述基板上，所述压力传感器自下而上依次包括电绝缘层、压力腔室以及压敏电阻，所述电绝缘层与所述压力腔室直接接触且延伸至所述压力腔室上表面，所述压敏电阻位于所述压力腔室上表面，并与延伸出的所述电绝缘层直接接触；热电红外探测器，位于所述基板上，所述热电红外探测器自下而上包括电绝缘层、凹腔、中心凸台、氮化硅吸收层和热电偶，所述凹腔位于所述基板上，所述中心凸台位于所述凹腔的中心，所述氮化硅吸收层位于所述基板上并水平延伸至所述中心凸台上表面，所述氮化硅吸收层悬置在所述凹腔的正上方，所述热电偶位于所述氮化硅吸收层上表面，所述电绝缘层与所述氮化硅吸收层直接接触；导热传感器，位于所述基板上，所述导热传感器自下而上包括下部硅衬底、上部硅衬底、电绝缘层、同心铬/铂薄膜层，所述下部硅衬底位于所述基板上，所述上部硅衬底由底层至顶层包括底部硅层、多孔材料层、PDMS层、顶部硅层，所述底部硅层位于所述基板上，所述多孔材料层位于所述底部硅层上，所述PDMS层位于所述多孔材料层上，所述顶部硅层位于所述PDMS层上，所述同心铬/铂薄膜层分别位于所述底部硅层和所述顶部硅层上，所述电绝缘层位于下部硅衬底上并水平延伸至上部硅衬底上，所述电绝缘层悬置在所述基板的正上方，所述电绝缘层与同心铬/铂薄膜层直接接触。2.根据权利要求1所述的抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器，其特征在于：所述温度传感器中所述的电绝缘层数量为2个，分别位于所述热敏电阻的下方并与所述热敏电阻直接接触，所述电绝缘层与所述热敏电阻均位于所述基板上。3.根据权利要求1所述的抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器，其特征在于：所述压力传感器中所述的压力腔室整体为长方体结构，所述的压力腔室内部为真空，所述的压敏电阻数量为4个，均位于所述压力腔室外部上表面且互相间隔一定距离，所述电绝缘层数量亦为4个且互不接触，均位于所述基板上，延伸至所述压力腔室上表面，所述电绝缘层与所述压力腔室、所述压敏电阻直接接触。4.根据权利要求1所述的抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器，其特征在于：所述热电红外探测器中所述的凹腔位于所述基板上，由蚀刻而成，所述中心凸台位于所述凹腔的中心，所述中心凸台的高度与所述凹腔的深度相等，所述氮化硅吸收层共15个，其分布为：左上方4个，右上方4个，左下方4个，右下方3个，所述氮化硅吸收层位于所述基板上并水平延伸至所述中心凸台上表面，所述氮化硅吸收层悬置于所述凹腔上方，所述热电偶数量亦为15个，分别分布在15个所述氮化硅吸收层的上表面，所述电绝缘层数量为2个，位于所述基板上右下方，与同方向其余3个所述氮化硅吸收层平行，并水平延伸至所述中心凸台上表面，所述电绝缘层悬置于所述凹腔上方。5.根据权利要求1所述的抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器，其特征在于：所述导热传感器中所述的上部硅衬底与所述的下部硅衬底拥有相等的高度和宽度，所述的下部硅衬底只有硅，所述的上部硅衬底是由自底层到顶层的底部硅层、多孔材料层、PDMS层、顶部硅层叠加构成，所述的同心铬/铂薄膜层分别位于所述底部硅层和顶部硅层上，所述的同心
铬/铂薄膜层为方形，所述的电绝缘层数量为4个，分别位于下部硅衬底上并水平延伸至所述上部硅衬底上表面，所述电绝缘层与所述同心铬/铂薄膜层的4个端分别直接接触。6.一种抗环境干扰的多集成MEMS触觉传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：制造4英...

【专利技术属性】
技术研发人员：董林玺，武家澍，刘超然，颜海霞，杨伟煌，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：