CN111965384B - 基于双稳态势能调节的仿生纤毛微传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于双稳态势能调节的仿生纤毛微传感器及其制备方法。传感器整体结构为纤毛‑上部结构层‑中间连接层‑下部支撑层构成的多层结构，其中上部结构层包括悬浮梳齿固定端、折叠梁、悬浮梳齿、检测梳齿和调制梳齿。本发明采用在绝缘衬底上的硅上制备纤毛柱和上部结构层，通过刻蚀中间连接层为折叠梁和悬浮梳齿提供运动间隙。传感器工作时，纤毛柱带动下面的悬浮梳齿沿流速/剪应力方向移动，导致悬浮梳齿和检测梳齿的间隙发生变化，根据电容的变化得到流速/剪应力的大小；流速/剪应力微弱时，通过在调制梳齿施加调制电压，***势能处于双稳态，添加适量白噪声得到可测量位移，即可以检测到静梳齿与动梳齿之间的电容变化，最终实现更低阈值的检测。

Description

基于双稳态势能调节的仿生纤毛微传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微机电领域，具体地，涉及一种基于双稳态势能调节的仿生纤毛微传感器。
背景技术
流速和壁面剪应力传感器是流体测量中重要的传感器，它们被广泛地用于环境气象监测、流体传输的过程控制、飞行器和水中航行体的流场检测和主动流场控制等。传统的流场测量装置包括热线风速仪、多普勒超声测速仪、粒子图像测速仪(PIV)等，但是它们存在体积大、结构复杂，难以满足高精度在线流场工程测试的需求。近年来，微机电***(MEMS)技术的发展，为实现体积小、功耗低的传感器制备提供了可靠的技术途径。另外，自然界中有许多生物，如节肢动物和水生动物，为适应在充满挑战的环境中生存需求，都进化出了高灵敏度的流场传感器。为此，科研人员开展了仿生纤毛微传感器研究工作。
2017年，新加坡与麻省理工研究联盟Ajay Giri Prakash Kottapalli等人在《Sensors》(2017年第8期1728)上发表的“Cupula-Inspired Hyaluronic Acid-BasedHydrogel Encapsulation to Form Biomimetic MEMS Flow Sensors”论文中提出一种水凝胶封装形成的仿生流速传感器，但该传感器采用压阻原理，对环境温度变化敏感。
2018年东南大学杨波等人在《Review of Scientific Instruments》(2018年第4期045002)上发表的“A novel flow sensor based on resonant sensing with two-stage microleverage mechanism”论文中提出了一种谐振式纤毛流速传感器，但此类传感器对低Q值谐振式传感器来说，由于谐振频率点处放大倍数较低，一般的测量电路无法将响应信号与噪声分离出来。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于双稳态势能调节的仿生纤毛微传感器及其制备方法。
根据本发明提供的一种基于双稳态势能调节的仿生纤毛流速传感器，包括自上而下依次设置的纤毛、上部结构层、中间连接层以及下部支撑层，其中：
上部结构层包括悬浮梳齿固定端、折叠梁、悬浮梳齿、检测梳齿以及调制梳齿，悬浮梳齿与纤毛连接；
悬浮梳齿固定端、检测梳齿以及调制梳齿通过中间连接层与下部支撑层紧固连接；
悬浮梳齿通过折叠梁与悬浮梳齿固定端相连，悬浮梳齿和折叠梁悬空布置。
优选地，悬浮梳齿包括两个部分，一部分和检测梳齿构成差分电容结构来测量流速变化，另一部分和调制梳齿通过施加电压调制实现传感器双稳态。
优选地，检测梳齿设置在悬浮梳齿左右两侧，两侧的检测梳齿采用不对称结构，电容间隙产生相反变化，形成差分电容检测。
优选地，调制梳齿设置在悬浮梳齿前后两侧，通过采用周期性调制梳齿的结构使得***的势能函数呈现双稳态。
根据本发明提供的一种制备上述的基于双稳态势能调节的仿生纤毛流速传感器的方法，包括如下步骤：
步骤S1：准备双抛导电SOI片作为基片，并清洗干净；
步骤S2：在器件层旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
步骤S3：用深硅刻蚀***刻蚀背硅，然后去胶；
步骤S4：在背硅面粘贴玻璃陪片；
步骤S5：在器件层硅上表面溅射Cr/Au；
步骤S6：光刻图形化并离子束刻蚀得到引线电极，然后去胶；
步骤S7：再次旋涂光刻胶并曝光显影，得到图形，用DRIE刻蚀Si，然后去胶；
步骤S8：黏贴SU-8干膜或旋涂负胶SU-8，光刻图形化经过显影后固化得到SU-8纤毛束；
步骤S9：去除玻璃陪片；
步骤S10：用氢氟酸从背面去除SOI片中间介质薄膜层氧化硅，得到悬浮薄膜结构。
根据本发明提供的一种制备上述的基于双稳态势能调节的仿生纤毛流速传感器的方法，包括如下步骤：
步骤S1：准备双抛导电SOI片作为基片，并清洗干净；
步骤S2：在SOI片器件层硅上表面溅射Cr/Pt/Au；
步骤S3：在器件层旋涂HJ6030正胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
步骤S4：用离子束刻蚀得到引线电极图形，然后去胶；
步骤S5：再次旋涂光刻胶并曝光显影，得到图形，用DRIE刻蚀Si，然后去胶；
步骤S6：黏贴SU-8干膜或旋涂负胶SU-8，光刻图形化经过显影后固化得到SU-8纤毛束；
步骤S7：利用氢氟酸通过器件层动梳齿上的牺牲孔进行牺牲层释放，去除SOI片中间介质薄膜层氧化硅，得到悬浮薄膜结构。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用差分电容的工作原理，检测灵敏度高，对零点漂移有着很好的抑制作用，受环境温度影响较小；
2、本发明通过施加调制电压使***的势能函数处于双稳态，并添加适量白噪声实现随机共振，对微弱流速敏感，从而实现更低阈值检测；
3、本发明采取多纤毛柱设计，可以让传感器的灵敏度有很好的提升，有效提高了测量分辨率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的基于双稳态势能调节的仿生纤毛微传感器的正视结构示意图；
图2为本发明的基于双稳态势能调节的仿生纤毛微传感器的俯视结构示意图；
图3为本发明的基于双稳态势能调节的仿生纤毛微传感器的等轴侧结构示意图；
图4为本发明的背面刻蚀工艺流程示意图；
图5为本发明的牺牲孔释放工艺流程示意图；
图6为本发明的衍生传感器结构设计示意图。
图中示出：
纤毛1
悬浮梳齿固定端2
折叠梁3
悬浮梳齿4
检测梳齿5
调制梳齿6
检测梳齿7
调制梳齿8
中间连接层9
下部支撑层10
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图6所示，根据本发明提供的一种基于双稳态势能调节的仿生纤毛微传感器及其制备方法，本发明的基于双稳态势能调节的仿生纤毛微传感器采用包含纤毛柱、上部结构层、中间连接层以及下部支撑层等多层结构的差分电容式微传感器结构，纤毛分布于悬浮梳齿表面，纤毛的数量可以根据传感器的结构和尺寸进行调制和延伸，例如图3设置有5个纤毛，图6设置有7个纤毛。上部结构层包括五个部分，即悬浮梳齿固定端、折叠梁、悬浮梳齿、检测梳齿以及调制梳齿，悬浮梳齿与纤毛相连，同时悬浮梳齿通过折叠梁与悬浮梳齿固定端相连，悬浮梳齿固定端通过中间连接层与下部支撑层连接作为固定支撑，其中悬浮梳齿和折叠梁悬空，悬浮梳齿能够沿着敏感方向移动，检测梳齿以及调制梳齿通过中间连接层与下部支撑层固定连接，不能移动。中间连接层作为上部结构层与下部支撑层之间的连接层，通过刻蚀可以形成悬浮薄膜结构。下部支撑层是传感器的支撑部分。
当传感器受流场作用后，纤毛将带动悬浮梳齿沿流场作用力方向移动，引起检测梳齿和悬浮梳齿之间间隙发生变化，进而导致测量电容发生改变；在微弱流速作用下，通过在调制梳齿上增加调制电压使***势能处于双稳态，并添加适量的白噪声实现随机共振，悬浮梳齿产生可测量位移，降低传感器的检测阈值。调制梳齿由周期性梳齿结构组成，为了使***势能达到双稳态，调制梳齿的电容与梳齿位移应满足周期性变化规律，通过仿真分析来确定调制梳齿的宽度、周期和梳齿间隙，施加调制电压的大小主要取决于调制梳齿周期、调制梳齿数量、结构刚度系数和梳齿周期，实际实施过程中，应根据需要来调整以上参数及其组合关系。
传感器以绝缘衬底上的硅(SOI)圆片为衬底，基于光刻、离子束刻蚀、DRIE刻蚀及湿法刻蚀等微加工工艺来制备传感器表头，将表头与测控电路相连，通过电容的检测可以得到被测的流速/剪应力。
如图1、2、3所示，从图中可以看出该传感器主要由四层结构组成：第一层结构为纤毛，包含101、102、103、104和105共五个纤毛，纤毛的数量可以根据传感器的结构和尺寸进行调制和延伸，如图6所示。第二层结构为上部结构层，包括五个部分，即悬浮梳齿固定端(201、202、203和204)、折叠梁(301、302、303和304)、悬浮梳齿4、检测梳齿5和7、以及调制梳齿6和8，悬浮梳齿4与纤毛1相连，同时悬浮梳齿通过折叠梁与悬浮梳齿固定端相连，悬浮梳齿固定端通过中间连接层9与下部支撑层10连接作为固定支撑，其中悬浮梳齿和折叠梁悬空，悬浮梳齿4能够沿着敏感方向移动，检测梳齿5、7以及调制梳齿6、8通过中间连接层9与下部支撑层10固定连接，不能移动，其中梳齿的数量可以根据需要进行延伸和扩展，如图6所示。第三层结构为中间连接层9，是上部结构层与下部支撑层之间的连接层，通过刻蚀可以形成悬浮薄膜结构。第四层结构为下部支撑层10，是传感器的支撑部分。
传感器的工作模式为：悬浮梳齿4包括两个部分，一部分和检测梳齿(5和7)构成差分电容结构来测量流速变化，另一部分和调制梳齿(6和8)通过施加电压调制使***处于双稳态。当纤毛1受到流场作用时，带动与之连接的悬浮梳齿4沿着流速/剪应力方向移动，引起检测梳齿5、7和悬浮梳齿4之间的间隙变化，由于检测梳齿5、7采用不对称结构，电容间隙产生相反变化，形成差分电容检测，通过电容的测量来得到被测流速/剪应力。当流速/剪应力非常微弱时，通过在调制梳齿6和8上施加调制电压，使***势能处于双稳态，添加适量的白噪声实现随机共振，悬浮梳齿产生可测量位移，即可以检测到检测梳齿与悬浮梳齿的电容变化，从而实现更低阈值检测。
本发明的传感器以绝缘衬底上的硅(SOI)圆片为衬底，基于光刻、离子束刻蚀、DRIE刻蚀及湿法刻蚀等微加工工艺来制备。
本发明提供了两种仿生纤毛流速流向MEMS传感器制备方法，具体如下：
实施例1：
本实施例提供一种仿生纤毛流速流向MEMS传感器制备方法，采用MEMS微细加工工艺制作，其工艺流程如图4所示，具体的工艺操作如下：
(1)准备双抛导电SOI片作为基片，在RNH3·H2O:H2O2:H2O＝1:1:5的溶液中110℃浸泡15分钟，清洗干净；
(2)清除SOI片背硅的氧化层薄膜(如背硅面有氧化层)，用HF：H2O＝1:10配好溶液，把片子放入约10分钟，拿出水冲洗后吹干；
(3)在器件层旋涂约6um厚的HJ6030正胶，烘干后用光刻机进行曝光约45秒，显影后得到图形；
(4)用SPTS深硅刻蚀***刻蚀背硅300um约200分钟，即DRIE刻蚀硅，然后去胶；
(5)在背硅面粘贴玻璃陪片；
(6)在器件层硅上表面溅射Cr/Au；
(7)光刻图形化并离子束刻蚀得到引线电极，然后去胶；
(8)再次旋涂光刻胶并曝光显影，得到图形，用DRIE刻蚀Si约60um，需要40分钟左右，然后去胶；
(9)黏贴SU-8干膜或旋涂负胶SU-8，光刻图形化经过显影后固化得到SU-8纤毛束；
(10)去除陪片；
(11)用氢氟酸从背面去除SOI片中间介质薄膜层氧化硅，得到悬浮薄膜结构。
实施例2：
本发明还提供另一种制备上述仿生纤毛流速流向MEMS传感器的制备方法，器件采用MEMS工艺制作，工艺流程如图5所示，具体的工艺操作如下：
(1)准备双抛导电SOI片作为基片，在RNH3·H2O:H2O2:H2O＝1:1:5的溶液中110℃浸泡15分钟，清洗干净；
(2)在SOI片器件层硅上表面溅射Cr/Au；
(3)旋涂约6um厚的HJ6030正胶，烘干后用光刻机进行曝光约45秒，显影后得到图形；
(4)用离子束刻蚀得到引线电极图形，然后去胶；
(5)再次旋涂光刻胶并曝光显影，得到图形，用DRIE刻蚀Si约60um，需要40分钟左右，然后去胶；
(6)黏贴SU-8干膜或旋涂负胶SU-8，光刻图形化经过显影后固化得到SU-8纤毛束；
(7)利用氢氟酸通过器件层动梳齿上的牺牲孔进行牺牲层释放，去除SOI片中间介质薄膜层氧化硅，得到悬浮薄膜结构。
本发明还提供一种仿生纤毛流速MEMS传感器实现双稳态势能调节的结构和参数确定过程：
(1)本实施例通过采用周期性调制梳齿的结构使得***的势能函数呈现双稳态，已知***的势能函数表达式为：
Figure BDA0002615576700000071
其中，k为结构刚度系数，x为动梳齿的位移，U为调制梳齿施加电压(注：动梳齿施加电压为零)，C为调制梳齿的电容。
(2)调制梳齿电容的计算。调制梳齿宽度为10μm，调制梳齿高度为50μm，调制梳齿周期为30μm，调制梳齿间隙为5μm时，调制梳齿电容与位移呈现周期性变化规律，用余弦函数进行拟合得到：
Figure BDA0002615576700000072
N为梳齿数量，Cp,、C0为电容系数，A梳齿周期。
(3)调制电压的计算。***处于双稳态时，调制电压满足表达式：
Figure BDA0002615576700000073
梳齿数量为2464对，刚度系数为20.8N/m，此时调制电压应不小于43.5V。
本发明采用差分电容的工作原理，检测灵敏度高，对零点漂移有着很好的抑制作用，受环境温度影响较小；通过施加调制电压使***的势能函数处于双稳态，并添加适量白噪声实现随机共振，对微弱流速敏感，从而实现更低阈值检测；采取多纤毛柱设计，可以让传感器的灵敏度有很好的提升，有效提高了测量分辨率。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种基于双稳态势能调节的仿生纤毛流速传感器，其特征在于，包括自上而下依次设置的纤毛、上部结构层、中间连接层以及下部支撑层，其中：
上部结构层包括悬浮梳齿固定端、折叠梁、悬浮梳齿、检测梳齿以及调制梳齿，
悬浮梳齿与纤毛连接；
悬浮梳齿固定端、检测梳齿以及调制梳齿通过中间连接层与下部支撑层紧固连接；
悬浮梳齿通过折叠梁与悬浮梳齿固定端相连，悬浮梳齿和折叠梁悬空布置；
悬浮梳齿包括两个部分，一部分和检测梳齿构成差分电容结构来测量流速变化，另一部分和调制梳齿通过施加电压调制实现传感器双稳态；
调制梳齿设置在悬浮梳齿前后两侧，通过采用周期性调制梳齿的结构使得***的势能函数呈现双稳态。
2.根据权利要求1所述的基于双稳态势能调节的仿生纤毛流速传感器，其特征在于，检测梳齿设置在悬浮梳齿左右两侧，两侧的检测梳齿采用不对称结构，电容间隙产生相反变化，形成差分电容检测。
3.一种制备权利要求1-2任一项所述的基于双稳态势能调节的仿生纤毛流速传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：清洗双抛导电SOI硅片作为基片；
步骤S2：在器件层旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
步骤S3：深硅刻蚀(DRIE)背硅，然后去胶；
步骤S4：在背硅面粘贴玻璃陪片；
步骤S5：在器件层硅的表面溅射Cr/Au；
步骤S6：光刻图形化并离子束刻蚀得到引线电极，然后去胶；
步骤S7：再次旋涂光刻胶并曝光显影，得到图形，用DRIE刻蚀Si，然后去胶；
步骤S8：黏贴SU-8干膜或旋涂负胶SU-8，光刻图形化经过显影后固化得到SU-8纤毛束；
步骤S9：去除玻璃陪片；
步骤S10：用氢氟酸从背面去除SOI片中间介质薄膜层氧化硅，得到悬浮薄膜结构。
4.一种制备权利要求1-2任一项所述的基于双稳态势能调节的仿生纤毛流速传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：准备双抛导电SOI片作为基片，并清洗干净；
步骤S2：在SOI片器件层硅的表面溅射Cr/Au；
步骤S3：在器件层旋涂光刻胶，烘干后用光刻机进行曝光，显影后得到图形；
步骤S4：用离子束刻蚀得到引线电极图形，然后去胶；
步骤S5：再次旋涂光刻胶并曝光显影，得到图形，用DRIE刻蚀Si，然后去胶；
步骤S6：黏贴SU-8干膜或旋涂负胶SU-8，光刻图形化经过显影后固化得到SU-8纤毛束；
步骤S7：利用氢氟酸通过器件层动梳齿上的牺牲孔进行牺牲层释放，去除SOI片中间介质薄膜层氧化硅，得到悬浮薄膜结构。
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