CN112146793B - 一种lc复合式mems触觉压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种LC复合式MEMS触觉压力传感器及其制备方法，该触觉压力传感器包括：堆叠的第一衬底和第二衬底；触觉敏感梁，设置在所述第一衬底的上表面；第一凹槽，设置在所述第一衬底的下表面，与所述触觉敏感梁相对；LC敏感体，设置在所述触觉敏感梁的下表面，位于所述第一凹槽中；第二凹槽，设置在所述第二衬底的上表面，与所述第一凹槽形成开放腔；第三凹槽，环绕并间隔所述第二凹槽设置在所述第二衬底的下表面；电感线圈层，设置在所述第三凹槽的底表面及远离所述第二凹槽的一侧侧壁；开放孔，设置在所述第二衬底的下表面，正对该第二凹槽并贯通该第二衬底。该传感器在触觉压力作用下，L和C均会发生变化，且变化趋势相同，具有高灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及微机电***MEMS领域，具体涉及一种LC复合式MEMS触觉压力传感器及其制备方法。
背景技术
触觉压力传感器是用于感知和模仿触觉功能的传感器，是人机交互和智能机器人等领域的基础性和关键性器件。MEMS触觉压力传感器具有易微型化、制备精度高以及一致性好等优点，因此，备受人们青睐。MEMS触觉压力传感器主要包括MEMS压阻式压力传感器和MEMS电容式压力传感器两种类型。灵敏度和量程是MEMS触觉压力传感器的两个关键指标，然而，现有的MEMS压阻式压力传感器和MEMS电容式压力传感器，普遍存在灵敏度与量程两个指标相互矛盾的问题，即传感器的灵敏度越高则量程越小，反之亦然。此外，现有的MEMS触觉压力传感通常在一些无法连线的环境如密封环境、易燃易爆等恶劣环境也难以获得应用。
发明内容
为了解决本领域触觉传感器存在的一些问题，本发明提出一种LC复合式MEMS触觉压力传感器及其制备方法，它具有灵敏度高、量程大、应用范围广等优点。具体地，本发明所提出的技术方案如下：
一种LC复合式MEMS触觉压力传感器，所述LC复合式MEMS触觉压力传感器包括：
堆叠的第一衬底和第二衬底；
触觉敏感梁，设置在所述第一衬底的上表面；
第一凹槽，设置在所述第一衬底的下表面，与所述触觉敏感梁相对；
LC敏感体，设置在所述触觉敏感梁的下表面，位于所述第一凹槽中；
第二凹槽，设置在所述第二衬底的上表面，与所述第一凹槽形成开放腔；
第三凹槽，环绕并间隔所述第二凹槽设置在所述第二衬底的下表面；
电感线圈层，设置在所述第三凹槽的底表面及远离所述第二凹槽的一侧侧壁；
第一电极和第二电极，分别设置在所述第三凹槽邻近所述第二凹槽的侧壁及所述第二衬底的下表面；
开放孔，设置在所述第二衬底的下表面，正对所述第二凹槽并贯通所述第二衬底。
可选地，还包括介于所述第三凹槽表面和所述电感线圈层之间的绝缘层。
可选地，所述LC敏感体的高度大于所述第一凹槽的深度。
可选地，所述LC敏感体的高度小于所述第一凹槽和所述第二凹槽的深度之和。
可选地，所述开放孔的截面尺寸大于所述LC敏感体的截面尺寸。
可选地，所述第三凹槽对称设置在所述第二凹槽的两侧。
可选地，所述电感线圈层包括若干根间隔设置的电感线。
可选地，所述第三凹槽的侧壁与所述第二凹槽的侧壁相交叠。
本发明还提出一种LC复合式MEMS触觉压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
选择第一衬底，刻蚀所述第一衬底的下表面，形成第一凹槽；
刻蚀所述第一衬底的上表面，释放形成触觉敏感梁；
在所述触觉敏感梁的下表面安装LC敏感体；
选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的上表面，形成第二凹槽；
刻蚀所述第二衬底的下表面，形成对准所述第二凹槽的开放孔；
刻蚀所述第二衬底的下表面，形成分布在所述第二凹槽两侧的第三凹槽；
在所述第三凹槽的表面制备电感线圈层、第一电极、第二电极；
键合所述第一衬底和所述第二衬底，所述第一凹槽和所述第二凹槽形成开放腔。
可选地，所述制备电感线圈层还包括预先在所述第三凹槽的表面制备绝缘层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、相比于现有仅通过电容变化来响应触觉压力变化的传感器，本发明所提出的传感器在触觉压力作用下，它的L和C均会发生变化，且变化趋势相同，因此，本发明所提出的传感器具有高灵敏度。
2、本发明的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器采用开放孔设计，拓宽了LC敏感体的运动范围，从而增加了传感器的量程和检测范围。
3、本发明的传感器可以通过在传感器外部设置读出电感，通过电感耦合机制实现传感器信号的无线传输，传感器结构简单，可实现无源无线的触觉压力测量，应用范围广泛。
4、本发明的一种LC复合式MEMS压力传感器可采用MEMS加工工艺进行高精度、高一致性、低成本制备。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器的剖面结构示意图。
图2为本发明其中一实施例的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器电感线圈层的平面结构俯视图
图3为本发明其中一实施例的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器触觉敏感梁的平面结构俯视图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步的详细介绍。
实施例1
如图1-3所示，本发明所提出的LC复合式MEMS触觉压力传感器，包括堆叠的第一衬底4和第二衬底7；
在第一衬底4的上表面形成有触觉敏感梁1；与触觉敏感梁1相对的第一衬底4的下表面经刻蚀形成有第一凹槽3；
在触觉敏感梁1的下表面设置有LC敏感体2，LC敏感体2位于第一凹槽3中；
第二凹槽8，设置在第二衬底7的上表面，与第一凹槽3形成开放腔13；
第三凹槽9，环绕并间隔第二凹槽8设置在第二衬底7的下表面；
电感线圈层10，设置在第三凹槽9的底表面及远离第二凹槽8的一侧侧壁；
开放孔12，设置在第二衬底7的下表面，正对第二凹槽8并贯通第二衬底7。
具体地，第一衬底4和第二衬底7为200-2000μm的单晶硅或玻璃，二者的材料可以相同，也可以不同。第一衬底4和第二衬底7可以通过键合的方式连接为整体，该键合方式比如是粘结剂键合。
触觉敏感梁1例如形成在第一衬底4的上表面中央，厚度为5-50μm，长度为300-2500μm，宽度为300-2000μm；如图1和图3所示，该触觉敏感梁1为悬臂梁，长度例如为第一衬底4的长度的一半，即形成于第一衬底4的上表面中央区域。
第一凹槽3，系从第一衬底4的下表面进行刻蚀而成，第一凹槽3正对该触觉敏感梁1。
LC敏感体2设置在该触觉敏感梁1的下表面，从触觉敏感梁1的长度方向而言，LC敏感体2形成在触觉敏感梁1远离锚区的边缘部；从触觉敏感梁1的宽度方向而言，LC敏感体2设置在触觉敏感梁1的中央区域。
该LC敏感体2的材料为铁磁绝缘材料，优选为钇铁石榴材料YIG，Yttrium IronGarnet。
对于第二衬底7，在其上表面形成的第二凹槽8，其正对LC敏感体2，与第一凹槽3形成开放腔13。
在第二衬底7的下表面，刻蚀形成开放孔12、正对第二凹槽8并贯通第二衬底7；在第二衬底7的下表面围绕第二凹槽8的形成区域相对应地形成第三凹槽9，第三凹槽9例如对称设置在第二凹槽8的两侧。
进一步地，第三凹槽9的底面及侧壁形成绝缘层11，绝缘层11位于第二衬底7的下表面并覆盖第三凹槽9，绝缘层11的材料为二氧化硅或氮化硅的至少一种，厚度为100-1000nm。
进一步地，在绝缘层11上制备电感线圈层10以及电感线圈层10的第一电极5及第二电极6。绝缘层11用于实现电感线圈层10及其第一电极5、第二电极6与第二衬底7的电隔离。
电感线圈层10设置在绝缘层11下表面靠近边缘处，并且设置在第三凹槽9的底部以及远离第二凹槽8的一侧侧壁。电感线圈层10包括若干根间隔设置的电感线，呈螺旋结构。
第一电极5和第二电极6例如对称设置在第三凹槽9靠近第二凹槽8的一侧侧壁，如图2所示，第一电极5与电感线圈层10相连接，第一电极5和第二电极6构成本发明传感器的敏感电容的两个电极。
其中，第一电极5、第二电极6和电感线圈层10的材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的至少一种，厚度为50-500nm。
其中，可选地，第三凹槽9的侧壁与第二凹槽8的侧壁相交叠，交叠区域的高度不小于100μm。这保证在触觉压力作用下，LC敏感体2能够深入电感线圈层10和深入第一电极5与第二电极6之间，这有助于大幅提升本发明的传感器的灵敏度。
可选地，第二凹槽8与第一凹槽3的深度之和大于LC敏感体2高度，目的是保证工作过程中可以改变LC敏感体在第一电极5与第二电极6之间***的长度。
可选地，LC敏感体2的高度大于第一凹槽3的深度，这有助于增大在触觉压力作用下LC敏感体2的位移量，提高触觉压力的检测量程。
可选地，开放孔12的截面尺寸大于LC敏感体2的截面尺寸，由此，在触觉压力作用下，LC敏感体2可自由***开放孔12。优选的，该开放孔12的截面面积是的LC敏感体2的截面面积的1.5-3.0倍，这既有助于降低开放孔12与LC敏感体2间的对准难度，又有助于保证触觉压力作用下的LC敏感体2位移能引起较大的电容值和电感值的变化，从而进一步提升本发明的传感器的灵敏度。
本发明所提出的LC复合式MEMS触觉传感器的工作原理如下：
第一电极5和第二电极6构成LC复合式MEMS触觉传感器的敏感电容的两个电极，在触觉压力作用下，触觉敏感梁1向下弯曲，并带动LC敏感体2产生向下的位移，其中，LC敏感体2在接近或***第一电极5与第二电极6之间时，会导致两电极间的介电常数发生变化，进而引起电容值发生变化，触觉压力越大，LC敏感体2向下的位移量越大、越靠近第一电极5与第二电极6，相应的电容值也越大；同时，LC敏感体2在接近或***电感线圈层10时，会引起电感线圈层10的磁通量发生变化，从而引起电感值发生变化，LC敏感体2向下的位移量越大，电感值也越大。由上可知，本发明的电感与电容的变化趋势相同，即同时增大或同时减小。本发明的传感器拟采用LC电路的谐振频率（= 1/
）作为电学输出响应，由于在触觉压力作用下，本发明传感器的L和C均会发生变化且变化趋势相同，因此，本发明的传感器具有高灵敏度。
实施例2
本发明还提出一种LC复合式MEMS触觉传感器的制备方法，具体地，该制备方法包括如下步骤：
a.选用500mm厚的N型(100)单晶硅片作为第一衬底4，通过光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到深度例如为480 μm的第一凹槽3；
b.通过对步骤a得到的第一衬底4的上表面进行光刻和感应耦合等离子体（ICP）刻蚀，释放得到触觉敏感梁1，该触觉敏感梁的尺寸例如为：长´宽´高=600μm´1000μm´20μm；
c.通过组装的方式在触觉敏感梁1的下表面安装LC敏感体2，该LC敏感体2例如为钇铁石榴块，其尺寸例如为：长´宽´高=200μm´200μm´450μm；
d.选用500mm厚的N型(100)单晶硅片作为第二衬底7，通过对第二衬底7的上表面进行光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到深度例如为400μm、底部截面尺寸例如为400μm´400μm的第二凹槽8；
e.对步骤d得到的第二衬底7的下表面进行双面对准光刻和ICP刻蚀出开放孔12；
f.对步骤e得到的第二衬底7的下表面进行双面对准光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到在第二凹槽8左右两侧对称分布的第三凹槽9，第三凹槽9深度例如为400μm；
g.通过等离子体增强化学气相沉积PECVD技术在第二衬底7的下表面形成例如500nm的二氧化硅作为绝缘层11；
h.在第二衬底7的下表面通过剥离和电子束蒸发技术制备例如20nm Ti和100nmAu，形成第一电极5、第二电极6和电感线圈层10，并同时形成第一电极5与电感线圈层10的连接；
i.将步骤c得到的第一衬底4的下表面与步骤h得到的第二衬底7的上表面通过例如粘结剂键合的方式连接在在一起，形成开放腔13，并完成器件的制备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、相比于现有仅通过电容变化来响应触觉压力变化的传感器，本发明所提出的传感器在触觉压力作用下，它的L和C均会发生变化，且变化趋势相同，因此，本发明所提出的传感器具有高灵敏度。
2、本发明的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器采用开放孔设计，拓宽了LC敏感体的运动范围，从而增加了传感器的量程和检测范围。
3、本发明的传感器可以通过在传感器外部设置读出电感，通过电感耦合机制实现传感器信号的无线传输，传感器结构简单，可实现无源无线的触觉压力测量，应用范围广泛。
4、本发明的一种LC复合式MEMS压力传感器可采用MEMS加工工艺进行高精度、高一致性、低成本制备。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (10)
1.一种LC复合式MEMS触觉压力传感器，其特征在于，所述LC复合式MEMS触觉压力传感器包括：
堆叠的第一衬底和第二衬底；
触觉敏感梁，设置在所述第一衬底的上表面；
第一凹槽，设置在所述第一衬底的下表面，与所述触觉敏感梁相对；
LC敏感体，设置在所述触觉敏感梁的下表面，位于所述第一凹槽中；
第二凹槽，设置在所述第二衬底的上表面，与所述第一凹槽形成开放腔；
第三凹槽，环绕并间隔所述第二凹槽设置在所述第二衬底的下表面；
电感线圈层，设置在所述第三凹槽的底表面及远离所述第二凹槽的一侧侧壁；
第一电极和第二电极，分别设置在所述第三凹槽邻近所述第二凹槽的侧壁及所述第二衬底的下表面；
开放孔，设置在所述第二衬底的下表面，正对所述第二凹槽并贯通所述第二衬底。
2.根据权利要求1所述的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器，其特征在于，还包括介于所述第三凹槽表面和所述电感线圈层之间的绝缘层。
3.根据权利要求1所述的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器，其特征在于，所述LC敏感体的高度大于所述第一凹槽的深度。
4.根据权利要求1或3所述的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器，其特征在于，所述LC敏感体的高度小于所述第一凹槽和所述第二凹槽的深度之和。
5.根据权利要求1所述的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器，其特征在于，所述开放孔的截面尺寸大于所述LC敏感体的截面尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器，其特征在于，所述第三凹槽对称设置在所述第二凹槽的两侧。
7.根据权利要求1所述的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器，其特征在于，所述电感线圈层包括若干根间隔设置的电感线。
8.根据权利要求1或7所述的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器，其特征在于，所述第三凹槽的侧壁与所述第二凹槽的侧壁相交叠。
9.一种LC复合式MEMS触觉压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择第一衬底，刻蚀所述第一衬底的下表面，形成第一凹槽；
刻蚀所述第一衬底的上表面，释放形成触觉敏感梁；
在所述触觉敏感梁的下表面安装LC敏感体；
选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的上表面，形成第二凹槽；
刻蚀所述第二衬底的下表面，形成对准所述第二凹槽的开放孔；
刻蚀所述第二衬底的下表面，形成分布在所述第二凹槽两侧的第三凹槽；
在所述第三凹槽的表面制备电感线圈层、第一电极、第二电极；
键合所述第一衬底和所述第二衬底，所述第一凹槽和所述第二凹槽形成开放腔。
10.根据权利要求9所述的一种LC复合式MEMS触觉压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备电感线圈层还包括预先在所述第三凹槽的表面制备绝缘层。
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