基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器、传感单元由两根微悬臂梁和组成惠斯通电桥的四个完全相同的力敏电阻构成，采用ＳＯＩ硅片的中间氧化层作为悬臂梁的主体，其中一个所述悬臂梁作为检测悬臂梁，其上刻蚀出三个矩形孔缝作为应力集中区域，另一个所述悬臂梁作为参考悬臂梁，其上未加工孔缝结构。两个所述力敏电阻设置在所述两根悬臂梁上，另外两个所述电阻位于硅片衬底上。本实用新型专利技术可以极大提高微悬臂梁传感器应力检测的灵敏度，且保持较高的测量带宽。本实用新型专利技术可应用于多种压阻式ＭＥＭＳ结构，如力传感器、微陀螺、谐振器等，在环境检测、食品安全、航天军事等领域均可应用。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及传感器，尤其涉及一种基于孔缝结构应力集中的压阻式微 悬臂梁传感器。 技术背景近年来，基于微悬臂梁结构的传感器已成为微机电系统领域一个广泛关注的 研究热点。该类传感器具有高灵敏度、高分辨率、快速响应和微型化等特点， 被广泛应用于生化传感检测等领域。测量微悬臂梁弯曲的方法有光学和电学方 法。光学法具有灵敏度高，但系统复杂，且光学系统需要精密校准限制了其广 泛应用，电学法有压阻式、压电式、电容式等，灵敏度相较光学法要低，但操 作简单，易于集成。其中作为应力检测的微悬臂梁传感器，由于具有结构简单、 灵敏度高、在线检测性能优良等优点在环境监测、食品安全、航天军事等领域 具有广阔的应用前景。该传感器的核心部件是单晶硅或氮化硅悬臂梁以及对应 力变化敏感的压敏电阻元件。检测时外力作用于检测悬臂梁表面，产生表面应 力变化导致悬臂梁弯曲，产生弯曲应力，由此导致集成在微悬臂梁表面的压阻 元件的阻值发生相应的变化，进而通过惠斯通电桥转换为电压信号输出。目前在环境监测、生化检测、医疗诊断、航天军事等领域需要大量的高灵敏 度高带宽的微悬臂梁传感器。微悬臂梁传感器应力检测的灵敏度取决于悬臂梁 的几何尺寸，如梁的长度和厚度，而带宽则取决于悬臂梁的第一阶固有频率。 目前提高微悬臂梁应力检测灵敏度的方法主要是改变悬臂梁的几何尺寸，如减 小悬臂梁的厚度，但减小厚度将会降低悬臂梁的刚度，而刚度的减小则会降低 悬臂梁的第一阶固有频率，进而减小微悬臂梁检测的带宽。因此，采用传统的 减小悬臂梁厚度来提高应力检测灵敏度的方法，不能保持高带宽的要求。对于微悬臂梁式应力检测传感器，有关微悬臂梁结构、压阻元件等的介绍，请参见参考文献 ， 。对于 常见的单晶硅压阻式微悬臂梁传感器技术，请参见参考文献， ， 。对于压阻式 微悬臂梁传感器，采用具有较小杨氏模量材料(SOI硅片的中间二氧化硅层相比 单晶硅等具有较小的杨氏模量)制作的悬臂梁在同等条件下将产生较大的弯曲 应力，而通常压阻式微悬臂梁采用杨氏模量相对较大的单晶硅或氮化硅材料不 利于产生较大的弯曲变形。另外，在微悬臂梁表面制作的压阻元件越薄，则感 应的弯曲应力越大，因此检测的灵敏度也就越高，请参见参考文献。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感 器，以提高应力检测的分辨率、灵敏度，且保持较高的测量带宽要求。本技术所采用的技术方案如下 一种基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器包括检测悬臂梁、参考悬臂梁和四个完全相同的压阻敏感电阻构成的惠斯通 电桥；检测悬臂梁上刻蚀出三个矩形孔缝作为应力集中区域；采用SOI硅片中 间的二氧化硅层作为微悬臂梁的主体，上面的单晶硅层作为微悬臂梁上的压阻 元件，并通过热氧化工艺将单晶硅压阻元件四周用二氧化硅绝缘层完全包覆； 压阻元件的两个引出端位于SOI硅片的衬底处，检测悬臂梁和参考悬臂梁上的 压阻元件具有相同特性，互为邻边与另外两个位于衬底上的压阻元件，共同构 成惠斯通电桥。所述参考悬臂梁的长度为检测悬臂梁长度的1/3-2/3 。所述构成传感单元的惠斯通电桥的四个压阻元件四周用二氧化硅绝缘层完 全包覆，由金属线连接，呈U形设置于悬臂梁主体和衬底表面上。所述硅片为p型或n型(100)晶面的SOI硅片，检测悬臂梁的长度为200 1000微米，宽度为50 200微米，厚度为3 10微米，参考悬臂梁的长度为100 500微米，宽度为10 200微米，厚度为3 10微米。所述压阻元件的长、宽尺寸为200x20微米。本技术的有益效果是(1) 在检测悬臂梁上刻蚀出三个矩形的孔缝结构作为应力集中区域，利用 孔缝结构的应力集中效应带来的丰富的应力集中信息来提高应力检测的灵敏 度，而孔缝结构的引入对悬臂梁的刚度影响很小，故对悬臂梁的固有频率和测量带宽影响不大，从而实现微悬臂梁传感器高灵敏度高带宽测量的设计需求；(2) 采用SOI硅片中杨氏模量相对较小的二氧化硅层作为微悬臂梁的主 体，在应力检测时可获得较大的弯曲应力，提高检测的灵敏度。本技术可应用于多种压阻式MEMS结构，如力传感器、微陀螺、谐振 器等，在环境检测、食品安全、航天军事等领域均可应用。附图说明图l本技术的结构示意图。图2本技术微悬臂梁上的压阻敏感电阻和衬底上的压阻敏感电阻布局 图及构成的惠斯通电桥示意图。图3本技术的制作工艺流程图。图中1、检测悬臂梁，2、参考悬臂梁，3、衬底，4、矩形孔缝，5、底层 硅，6、中间二氧化硅层，7、顶层硅，8、 二氧化硅绝缘层，9、压阻敏感电阻， 10、引线孔，11、铝薄膜。具体实施方式以下结合附图和实例对本技术作进一步详细说明。本技术属于微机电系统压阻式微悬臂梁传感器。传感单元包括检测悬臂 梁1，参考悬臂梁2和四个完全相同的压阻敏感电阻R1， R2， R3, R4组成的 惠斯通电桥。如图1，捡测悬臂梁1上刻蚀出三个等距离排列的矩形孔缝4作为 应力集中区域，参考悬臂梁2上没有孔缝结构。如图2 (a)所示，两个集成在 悬臂梁表面的压阻元件R1、 R3分别位于两个悬臂梁上(R1呈U形环绕矩形孔 缝结构布置在微悬臂梁表面，并靠近微悬臂梁的根部，R3呈U形位于参考悬臂 梁上)，和另外两个与其在同一衬底3上的具有相同特性的单晶硅压阻元件R2， R4共同构成惠斯通电桥。压阻元件的两个引出端分别位于硅片衬底3处，四周 均由二氧化硅包覆，以形成很好的电绝缘层。图2 (b)为惠斯通电桥连接示意 图，两悬臂梁上的压阻元件互为邻边，两衬底上的压阻元件也互为邻边，四个压阻元件通过金属导线连接成惠斯通电桥回路。利用SOI硅片的结构特点(从 上至下依次为顶层单晶硅器件层、中间二氧化硅层、底层单晶硅)，将具有较小 杨氏模量的中间二氧化硅层作为微悬臂梁的主体结构，而将顶层的单晶硅层作 为悬臂梁上的压阻敏感电阻材料，使梁对外力作用下产生的表面应力具有较大 的弯曲响应，从而产生较大的弯曲应力提高检测的灵敏度。在检测微悬臂梁上刻蚀出矩形的孔缝结构，在同等受力条件下，环绕矩形孔 缝周围并靠近悬臂梁的根部处会出现局部的应力集中。由此环绕矩形孔缝的压 阻敏感电阻的电阻值发生变化，而组成惠斯通电桥的其他三个压阻元件的阻值 并无太大变化，于是外力作用引起的微悬臂梁表面应力的变化，以及孔缝结构 引起的应力集中将转变为惠斯通电桥输出的电压信号，能较大的提高应力检测 的灵敏度。而孔缝结构的引入对微悬臂梁的刚度减小不多，因此对微悬臂梁的 固有频率改变不大，所以能够保证传感器的测量带宽要求。采用双悬臂粱结构，由于处在同一环境中，环境变 化(如温度、噪声等)引起的干扰通过两根梁的差分输出可以被大大减小，提高检测的分辨率。且参考悬臂梁长度为检测悬臂梁长度的1/3 2/3，可以避免长 度相同引起的共振。实施例中，检测悬臂梁的设计尺寸为400xl40x5iim,参考悬臂梁的设计尺寸 为200xl40x5pm,三个矩形孔缝尺寸为50x20x5pm，组成惠斯通电桥的四个完 全相同的力敏电阻尺寸为200x20pm。检测时悬臂梁受力后应力的分布取决于悬 臂梁的尺寸和施加的力，可以证明最大的应力发生在悬臂梁的表面并靠近根部 位置，孔缝结构的引入使其周围出现应力集中现象。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器，其特征在于：包括检测悬臂梁（１）、参考悬臂梁（２）和四个完全相同的压阻敏感电阻构成的惠斯通电桥；检测悬臂梁（１）上刻蚀出三个矩形孔缝（４）作为应力集中区域；采用ＳＯＩ硅片中间的二氧化硅层作为微悬臂梁的主体，上面的单晶硅层作为微悬臂梁上的压阻元件，并通过热氧化工艺将单晶硅压阻元件四周用二氧化硅绝缘层完全包覆；压阻元件的两个引出端位于ＳＯＩ硅片的衬底（３）处，检测悬臂梁和参考悬臂梁上的压阻元件具有相同特性，互为邻边与另外两个位于衬底（３）上的压阻元件，共同构成惠斯通电桥。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪延成，梅德庆，陈子辰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：实用新型
国别省市：86[中国|杭州]