一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器制造技术

一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，包括单晶硅基底层，单晶硅基底层上生长二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层设有单晶硅结构层，单晶硅结构层包括线型微纳材料夹持机构的键槽，键槽两侧和输出梁、V型致动梁顶端连接，V型致动梁固定在锚点上，输出梁通过限位梁固定在锚点上，输出梁的两端分别与二阶放大梁的输入端连接，二阶放大梁通过支点梁固定在锚点上，二阶放大梁的输出端与悬空平台连接，悬空平台连接石英双端固定音叉一端，石英双端固定音叉另一端固定在锚点上，锚点以外结构均处于悬空状态；对V型致动梁施加控制电压，由于热应力发生位移，从而夹紧线型微纳材料一端的花键；本发明专利技术具有精度高，成本低等优点。

A Silicon-based Quartz MEMS Resonant Torque Sensor for Micro-nanoscale Materials

【技术实现步骤摘要】
一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器
本专利技术涉及微机电系统(MEMS)传感器
，特别涉及一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器。
技术介绍
近年来，随着微纳米技术的发展，材料在微纳尺度下的性能逐渐成为科学研究的热点课题，由于尺度效应的影响，材料在微观尺度下的力学性能如拉伸、弯曲、扭转等与宏观的经典力学性能有着很大的差异。在一些微纳操纵领域，材料在进行原位扭转时的力学性能亟需进一步的研究，以揭示其变形的本质机理。目前已经公开的文献中，可以对微纳尺度材料的原位扭转进行精准测试与观察的文献较少，中国专利CN105606459B(名称为用于微纳尺度材料的原位扭矩测试装置和观察装置)和CN102788727B(名称为扫描电镜下多用途原位微尺度力学性能测试方法)，公开了对微纳材料进行夹持、原位扭转并在扫描电镜下观察的装置，但是未涉及扭转力的定量测量；中国专利CN103293066B(名称为精密材料微观力学性能原位扭转测试平台)、CN105021338B(名称为一种用于微型拉扭疲劳试验机的扭矩测量装置及方法)，其提及了微纳材料扭转力的定量测试，但是主要仍在于测试台层面的研究，未提及具体的扭矩传感器设计；在中国专利CN106525304B(名称为一种线型微纳材料扭转性能测量用MEMS谐振式扭矩传感器)中，其设计了一款MEMS谐振式扭矩传感器，但是其谐振器选用硅音叉结构，无法在大气环境下工作，并且其本身没有压电特性，需要复杂的激励和检测手段，容易引入噪声干扰，限制了精度的进一步提高以及与其他微器件的集成。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，将成熟的硅微加工工艺、石英晶体的固有压电特性和良好的谐振器材料特性相结合，传感器可在大气环境下工作，并且具有精度高，成本低等优点。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，包括单晶硅基底层1，单晶硅基底层1上生长一层二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2设有单晶硅结构层3，单晶硅结构层3上胶粘有石英双端固定音叉4；所述的单晶硅结构层3包括线型微纳材料夹持机构，线型微纳材料夹持机构包括键槽10-2，键槽10-2用于安装线型微纳材料17一端的花键17-1，键槽10-2的一侧和输出梁10-3的中部连接，键槽10-2的另一侧和V型致动梁10-5中部顶端连接，V型致动梁10-5一端与第七锚点11-7连接，V型致动梁10-5另一端和第八锚点11-8连接；输出梁10-3的一侧通过第一限位梁10-1和第一锚点11-1连接，输出梁10-3的另一侧通过第二限位梁10-4和第二锚点11-2连接，输出梁10-3的两端分别与一个二阶放大梁13的输入端连接；二阶放大梁13通过第一支点梁12-1、第二支点梁12-2、第三支点梁12-3、第四支点梁12-4和第二锚点11-2、第三锚点11-3、第五锚点11-5、第六锚点11-6连接，二阶放大梁13的输出端与悬空平台16连接，悬空平台16连接石英双端固定音叉4一端，石英双端固定音叉4另一端连接在第四锚点11-4上，石英双端固定音叉4的轴向方向为敏感方向；第四锚点11-4一侧通过第一连接梁14-1和第三锚点11-3连接，第四锚点11-4另一侧通过第二连接梁14-2和第五锚点11-5连接，除上述锚点外，其余结构下方的二氧化硅绝缘层2和单晶硅基底层1都被刻蚀掉，即均处于悬空状态；第四锚点11-4上溅射的第一金属电极板15-1、第二金属电极板15-2通过金丝球焊机打线分别与石英双端固定音叉4端部的电极连接，从而将石英双端固定音叉4与外部振荡电路连接，通过第七锚点11-7、第八锚点11-8上溅射的第三金属电极板15-3、第四金属电极板15-4，对V型致动梁10-5施加控制电压，V型致动梁10-5顶点处由于热应力发生位移，从而夹紧线型微纳材料17一端的花键17-1。在第三金属电极板15-3、第四金属电极板15-4间施加控制电压，V型致动梁10-5顶点处由于热应力发生位移夹紧线型微纳材料17一端的花键17-1，当线型微纳材料17产生扭转时，扭转力通过花键17-1传递给输出梁10-3，并经二阶放大梁13放大后作用于石英双端固定音叉4，石英双端固定音叉4轴向受力后，谐振频率发生变化，由外部振荡电路进行检测，从而实现对线型微纳材料17扭矩的测量。通过优化V型致动梁10-5的尺寸参数、斜梁倾角以及施加的控制电压调节夹紧力，实现定量调控。通过优化二阶放大梁13的尺寸参数调节力的放大倍数，实现传感器分辨率和量程的定量调控。所述的MEMS谐振式扭矩传感器采用对称式结构，线型微纳材料夹持机构的键槽10-2处于对称中心。所述的键槽10-2设有断口，为夹紧线型微纳材料17一端的花键17-1预留空间。所述的石英双端固定音叉4的两端端头4-1、4-2通过环氧树脂胶固定在悬空平台16、第四锚点11-4上。本专利技术的有益效果为：本专利技术采用硅微加工工艺制造单晶硅结构层，具有精度高，可批量生产等优点；采用石英双端固定音叉4作为谐振器元件，可在大气环境下工作，并且具有易激励、高品质因数等优点；利用线型微纳材料夹持机构，可自行夹持线型微纳材料并将扭矩转化为石英双端固定音叉4的轴向力测量，实现了线型微纳材料17扭转性能的定量测试；利用二阶放大梁结构，提高了传感器的灵敏度。附图说明图1为本专利技术的四层结构示意图。图2为本专利技术单晶硅结构层的俯视图。图3为本专利技术线型微纳材料夹持机构的俯视图。图4为本专利技术线型微纳材料的结构示意图。图5为本专利技术石英双端固定音叉的结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步详细描述。参见图1，一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，包括单晶硅基底层1，单晶硅基底层1上生长一层二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2设有单晶硅结构层3，单晶硅结构层3上胶粘有石英双端固定音叉4；参见图2、图3和图4，单晶硅结构层3包括线型微纳材料夹持机构，线型微纳材料夹持机构包括键槽10-2，键槽10-2用于安装线型微纳材料17一端的花键17-1，键槽10-2的一侧和输出梁10-3的中部连接，键槽10-2的另一侧和V型致动梁10-5中部顶端连接，V型致动梁10-5一端与第七锚点11-7连接，V型致动梁10-5另一端和第八锚点11-8连接；输出梁10-3的一侧通过第一限位梁10-1和第一锚点11-1连接，输出梁10-3的另一侧通过第二限位梁10-4和第二锚点11-2连接，输出梁10-3的两端分别与一个二阶放大梁13的输入端连接；二阶放大梁13通过第一支点梁12-1、第二支点梁12-2、第三支点梁12-3、第四支点梁12-4和第二锚点11-2、第三锚点11-3、第五锚点11-5、第六锚点11-6连接，二阶放大梁13的输出端与悬空平台16连接，悬空平台16连接石，英双端固定音叉4一端，石英双端固定音叉4另一端连接在第四锚点11-4上，石英双端固定音叉4的轴向方向为敏感方向；第一限位梁10-1、第二限位梁10-4用于限制输出梁10-3在石英双端固定音叉4敏感方向的垂直方向上移动；第四锚点11-4一侧通过第一连接梁14-1和第三锚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，其特征在于：包括单晶硅基底层(1)，单晶硅基底层(1)上生长一层二氧化硅绝缘层(2)，二氧化硅绝缘层(2)设有单晶硅结构层(3)，单晶硅结构层(3)上胶粘有石英双端固定音叉(4)；所述的单晶硅结构层(3)包括线型微纳材料夹持机构，线型微纳材料夹持机构包括键槽(10‑2)，键槽(10‑2)用于安装线型微纳材料(17)端部的花键(17‑1)，键槽(10‑2)的一侧和输出梁(10‑3)的中部连接，键槽(10‑2)的另一侧和V型致动梁(10‑5)中部顶端连接，V型致动梁(10‑5)一端与第七锚点(11‑7)连接，V型致动梁(10‑5)另一端和第八锚点(11‑8)连接；输出梁(10‑3)的一侧通过第一限位梁(10‑1)和第一锚点(11‑1)连接，输出梁(10‑3)的另一侧通过第二限位梁(10‑4)和第二锚点(11‑2)连接，输出梁(10‑3)的两端分别与一个二阶放大梁(13)的输入端连接；二阶放大梁(13)通过第一支点梁(12‑1)、第二支点梁(12‑2)、第三支点梁(12‑3)、第四支点梁(12‑4)和第二锚点(11‑2)、第三锚点(11‑3)、第五锚点(11‑5)、第六锚点(11‑6)连接，二阶放大梁(13)的输出端与悬空平台(16)连接，悬空平台(16)连接石英双端固定音叉(4)一端，石英双端固定音叉(4)另一端连接在第四锚点(11‑4)上，石英双端固定音叉(4)的轴向方向为敏感方向；第四锚点(11‑4)一侧通过第一连接梁(14‑1)和第三锚点(11‑3)连接，第四锚点(11‑4)另一侧通过第二连接梁(14‑2)和第五锚点(11‑5)连接，除上述锚点外，其余结构下方的二氧化硅绝缘层(2)和单晶硅基底层(1)都被刻蚀掉，即均处于悬空状态；第四锚点(11‑4)上溅射的第一金属电极板(15‑1)、第二金属电极板(15‑2)通过金丝球焊机打线分别与石英双端固定音叉(4)端部的电极连接，从而将石英双端固定音叉(4)与外部振荡电路连接，通过第七锚点(11‑7)、第八锚点(11‑8)上溅射的第三金属电极板(15‑3)、第四金属电极板(15‑4)，对V型致动梁(10‑5)施加控制电压，V型致动梁(10‑5)顶点处由于热应力发生位移，从而夹紧线型微纳材料(17)一端的花键(17‑1)。...

【技术特征摘要】
1.一种用于微纳尺度材料的硅基石英MEMS谐振式扭矩传感器，其特征在于：包括单晶硅基底层(1)，单晶硅基底层(1)上生长一层二氧化硅绝缘层(2)，二氧化硅绝缘层(2)设有单晶硅结构层(3)，单晶硅结构层(3)上胶粘有石英双端固定音叉(4)；所述的单晶硅结构层(3)包括线型微纳材料夹持机构，线型微纳材料夹持机构包括键槽(10-2)，键槽(10-2)用于安装线型微纳材料(17)端部的花键(17-1)，键槽(10-2)的一侧和输出梁(10-3)的中部连接，键槽(10-2)的另一侧和V型致动梁(10-5)中部顶端连接，V型致动梁(10-5)一端与第七锚点(11-7)连接，V型致动梁(10-5)另一端和第八锚点(11-8)连接；输出梁(10-3)的一侧通过第一限位梁(10-1)和第一锚点(11-1)连接，输出梁(10-3)的另一侧通过第二限位梁(10-4)和第二锚点(11-2)连接，输出梁(10-3)的两端分别与一个二阶放大梁(13)的输入端连接；二阶放大梁(13)通过第一支点梁(12-1)、第二支点梁(12-2)、第三支点梁(12-3)、第四支点梁(12-4)和第二锚点(11-2)、第三锚点(11-3)、第五锚点(11-5)、第六锚点(11-6)连接，二阶放大梁(13)的输出端与悬空平台(16)连接，悬空平台(16)连接石英双端固定音叉(4)一端，石英双端固定音叉(4)另一端连接在第四锚点(11-4)上，石英双端固定音叉(4)的轴向方向为敏感方向；第四锚点(11-4)一侧通过第一连接梁(14-1)和第三锚点(11-3)连接，第四锚点(11-4)另一侧通过第二连接梁(14-2)和第五锚点(11-5)连接，除上述锚点外，其余结构下方的二氧化硅绝缘层(2)和单晶硅基底层(1)都被刻蚀掉，即均处于悬空状态；第四锚点(11-4)上溅射的第一金属电极板(15-1)、第二金属电极板(15-2)通过金丝球焊机打线分别与石英双端固定音叉(4)端部的电极连接，从而将石英双端固定音叉(4)与外部振荡电路连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦学勇，丁延玉，王曙东，任娟，任子明，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61