一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器及其封装方法技术

一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器及其封装方法，传感器包括配置在敏感芯片上的接触探针，敏感芯片的背面设置有玻璃基底，敏感芯片采用四个L型悬臂梁交叉支撑中心支撑膜，在悬臂梁上设置有12个压敏电阻，12个压敏电阻组成3组惠斯通电桥；接触探针与被测对象接触，将外界作用力传递到传感器探针的中心支撑膜上，并使传感器悬臂梁弯曲产生变化，压敏电阻检测应力的变化通过惠斯通电桥输出与加载力成正比的电压信号，完成外界接触力的测试；传感器的封装采用定位盖安装探针，保证了探针的垂直度，减小了传感器的系统误差及干扰误差；本发明专利技术具有体积小、成本低、分辨率高、稳定性高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及先进制造及微力测量
，特别涉及基于MEMS工艺的压阻式高灵敏度探针形式的。
技术介绍
随着微电子和MEMS技术的不断发展，半导体及体硅加工工艺的不断完善，基于 MEMS技术的半导体传感器朝集成化和微型化的方向发展。MEMS微力传感器是微力测量及控制的基础及关键部件，被广泛应用于先进制造、医学、生物医学、海洋测量以及环境监测等领域，是国内外微力测量领域的研究焦点。目前开展的研究工作主要包括一维，二维、三维以及多维MEMS微力传感器的研制开发，其中大部分微力传感器只能测量微牛顿级力，而对亚微牛顿力的测量仅限于单维微力传感器及几种电容式、压电式三维微力传感器。电容式MEMS传感器加工工艺难度大，输出非线性，后续电路复杂，压电式传感器极易受到环境湿度及外界电磁的干扰，且两种传感器存在测量范围小的缺点，测量位移仅为微米甚至纳米级，工作环境受到了严重的限制。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺陷，本专利技术目的在于提供，该传感器基于压阻效应，采用四悬臂L梁支撑的集成化微探针结构，应用MEMS工艺制作，可以完成对亚微牛顿简单三维微力的测量，同时具有较高的测量灵敏度及较大的测量范围。为了实现上述测试目的，本专利技术采用以下技术方案一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器，包括接触探针1，接触探针1配置在敏感芯片2上，敏感芯片2的背面设置有玻璃基底5，其特征在于，敏感芯片2采用四个L型悬臂梁3交叉支撑中心支撑膜4，同时在悬臂梁3上制作了 12个压敏电阻，分别组成3组惠斯通电桥，其分布方式为压敏电阻Rxl、压敏电阻Rzl与压敏电阻Rx2、压敏电阻Rz2分别分布在悬臂梁3-4的两端，压敏电阻Rx3、压敏电阻Rz3与压敏电阻Rx4、压敏电阻Rz4分别分布在悬臂梁3-1的两端，压敏电阻Ryl和压敏电阻Ry2分别分布在悬臂梁3-2的两端， 压敏电阻Ry3和压敏电阻Ry4分别分布在悬臂梁3-3的两端，其电连接方式为压敏电阻 Rxl、压敏电阻Rx2串联后的电路与压敏电阻Rx3、压敏电阻串联后的电路并联；压敏电阻Ryl、压敏电阻Ry2串联后的电路与压敏电阻Ry3、压敏电阻Ry4串联后的电路并联；压敏电阻Rzl、压敏电阻Rz2串联后的电路与压敏电阻Rz3、压敏电阻Rz4串联后的电路并联。所述的压敏电阻Rxl、压敏电阻Rx2与压敏电阻Rx4、压敏电阻Rx3相对称；压敏电阻Ryl、压敏电阻Ry2与压敏电阻Ry4、压敏电阻Ry3相对称；压敏电阻Rzl、压敏电阻Rz2与压敏电阻Rz3、压敏电阻Rz4相对称。所述的接触探针1采用阶梯式圆柱结构。所述的压敏电阻采用U形结构。接触探针1采用钛合金。一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器的封装方法，包括以下步骤 步骤一传感器输出电路板包含PCB板7和底板8两部分，在PCB板7上加工有焊盘，平均分列PCB板7的两侧，每侧的外边缘是大焊盘9，内边缘是小焊盘10，大焊盘9与外部电源及输出电路连接，同时在PCB板7的几何中心设置有方孔6 ；步骤二、设计一个探针定位盖12，并在探针定位盖12的中心开有一个定位孔11 ； 将传感器的敏感芯片2固定在PCB板7的方孔6中，将敏感芯片2与PCB板7上的小焊盘 10连接;步骤三、探针定位盖12将PCB板7罩住，将接触探针1通过探针定位盖12中心的定位孔11固定在敏感芯片2的中心支撑膜4上，取下探针定位盖12完成本专利技术传感器的封装。本专利技术的优点主要表现在传感器采用基于压阻效应的探针形式，有效增大了传感器的测量范围，使其测量位移达到了毫米级；悬臂梁采用“L”结构有效提高了传感器的灵敏度与分辨率，使其可以测量亚微牛顿力；传感器的接触探针1采用钛合金材料加工，减小了探针的质量，提高了探针的刚度，保证的力的传递效率，降低了传感器的零位输出 ’传感器的封装采用定位盖安装探针，保证了接触探针的垂直度，减小了传感器的系统误差及干扰误差。本专利技术具有体积小、成本低、分辨率高、稳定性高等优点，可广泛用于微力测量与物体表面形貌的精确表征等领域。附图说明图1为本专利技术的传感器结构示意图。图2为悬臂梁3上压敏电阻的分布图。图3为L型悬臂梁受力变形示意图，其中图3⑴为接触探针1受到X或Y方向作用力时，悬臂梁a、悬臂梁b的受力变形状态，图3⑵为接触探针1受到Z方向作用力时，悬臂梁a、悬臂梁b的受力变形状态。图4为L型悬臂梁的受力变形应力分布图，其中图⑴为接触探针1受到X或Y方向作用力时，悬臂梁a、悬臂梁b的应力分布状态，(2)为接触探针1受到Z方向作用力时， 悬臂梁a、悬臂梁b的应力分布状态。图5为悬臂梁上12个U型压敏电阻三维输出惠斯通电桥示意图。图6为本专利技术的封装结构示意图。图7为探针定位盖12的结构示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的结构、工作原理及封装方法做详尽说明。如图1所示，一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器，包括采用阶梯式圆柱结构接触探针1，传感器接触探针1是三维微力传感器与被测对象接触并传递力学信号的重要元件，是同被测对象直接接触的部分。接触探针为阶梯式圆柱结构分为3阶，总长1cm。 探针固定端直径为900 μ m，长4mm ；中间段直径为250 μ m，长4mm ；第三段直径为125 μ m，长 2mm ；在探针顶端有一直径为150 μ m的接触球，保证传感器的精确度。接触探针1配置在敏感芯片2上，敏感芯片2的背面设置有玻璃基底5，玻璃基底5尺寸为4πιπιΧ4πιπιΧ500μπι， 利用阳离子键合技术与敏感芯片2背面键合在一起，保护传感器敏感芯片2。敏感芯片2采用四个L型悬臂梁3交叉支撑中心支撑膜4，敏感芯片2总体尺寸为4mmX 4mmX 400 μ m, 悬臂梁3尺寸为1440 μ mX 200 μ mX 35 μ m，中心支撑膜4尺寸为ImmX ImmX 35 μ m，选取 4 N型(100)厚400um双面抛光的单晶硅片为加工材料，采用MEMS体硅工艺，背面腐蚀、 正面刻蚀的方法完成加工。在悬臂梁3上设置有12个U型压敏电阻，12个U型压敏电阻组成3组惠斯通电桥，其分布方式如图2所示X方向悬臂梁上的压敏电阻Rxl、压敏电阻Rx2、 压敏电阻Rx3和压敏电阻Rx4四个压敏电阻组成惠斯通测量电桥测量X向作用力，Y向悬臂梁上的压敏电阻Ry 1、压敏电阻Ry2、压敏电阻Ry3和压敏电阻Ry4四个压敏电阻组成惠斯通测量电桥测量Y向作用力，X方向悬臂梁上的压敏电阻Rzl、压敏电阻Rz2、压敏电阻Rz3 和压敏电阻Rz4四个压敏电阻组成惠斯通测量电桥用来测量Z向左用力。压敏电阻应用离子注入技术加工，并采用U形结构，这样可以有效提高传感器的灵敏度。如图2所示，12个U型压敏电阻，分别组成3组惠斯通电桥，其分布方式为压敏电阻Rxl、压敏电阻Rzl与压敏电阻Rx2、压敏电阻Rz2分别分布在悬臂梁3_4的两端，压敏电阻Rx3、压敏电阻Rz3与压敏电阻Rx4、压敏电阻Rz4分别分布在悬臂梁3_1的两端，压敏电阻Ryl和压敏电阻Ry2分别分布在悬臂梁3-2的两端，压敏电阻Ry3和压敏电阻Ry4分别分布在悬臂梁3-3的两端。如图5所示，三个惠斯通测量电桥电路的具体连接方式是压敏电阻Rxl、压敏电阻Rx2串联后的电路与压敏电阻Rx3、压敏电阻Rx4串联后的电路并联，组成惠斯本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器，包括接触探针（１），接触探针（１）配置在敏感芯片（２）上，敏感芯片（２）的背面设置有玻璃基底（５），其特征在于，敏感芯片（２）采用四个Ｌ型悬臂梁（３）交叉支撑中心支撑膜（４），在悬臂梁（３）上设置有１２个压敏电阻，１２个压敏电阻组成３组惠斯通电桥，其分布方式为：压敏电阻Ｒｘ１、压敏电阻Ｒｚ１与压敏电阻Ｒｘ２、压敏电阻Ｒｚ２分别分布在悬臂梁３－４的两端，压敏电阻Ｒｘ３、压敏电阻Ｒｚ３与压敏电阻Ｒｘ４、压敏电阻Ｒｚ４分别分布在悬臂梁３－１的两端，压敏电阻Ｒｙ１和压敏电阻Ｒｙ２分别分布在悬臂梁３－２的两端，压敏电阻Ｒｙ３和压敏电阻Ｒｙ４分别分布在悬臂梁３－３的两端，其电连接方式为：压敏电阻Ｒｘ１、压敏电阻Ｒｘ２串联后的电路与压敏电阻Ｒｘ３、压敏电阻Ｒｘ４串联后的电路并联；压敏电阻Ｒｙ１、压敏电阻Ｒｙ２串联后的电路与压敏电阻Ｒｙ３、压敏电阻Ｒｙ４串联后的电路并联；压敏电阻Ｒｚ１、压敏电阻Ｒｚ２串联后的电路与压敏电阻Ｒｚ３、压敏电阻Ｒｚ４串联后的电路并联。

【技术特征摘要】
1.一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器，包括接触探针(1)，接触探针(1)配置在敏感芯片(2)上，敏感芯片(2)的背面设置有玻璃基底(5)，其特征在于，敏感芯片(2)采用四个L型悬臂梁(3)交叉支撑中心支撑膜G)，在悬臂梁(3)上设置有12个压敏电阻， 12个压敏电阻组成3组惠斯通电桥，其分布方式为压敏电阻Rxl、压敏电阻Rzl与压敏电阻Rx2、压敏电阻Rz2分别分布在悬臂梁3-4的两端，压敏电阻Rx3、压敏电阻Rz3与压敏电阻Rx4、压敏电阻Rz4分别分布在悬臂梁3-1的两端，压敏电阻Ryl和压敏电阻Ry2分别分布在悬臂梁3-2的两端，压敏电阻Ry3和压敏电阻Ry4分别分布在悬臂梁3-3的两端，其电连接方式为压敏电阻fccl、压敏电阻串联后的电路与压敏电阻Rx3、压敏电阻Rx4串联后的电路并联；压敏电阻Ry 1、压敏电阻Ry2串联后的电路与压敏电阻Ry3、压敏电阻Ry4串联后的电路并联；压敏电阻Rzl、压敏电阻Rz2串联后的电路与压敏电阻Rz3、压敏电阻Rz4 串联后的电路并联。2.根据权利要求1所述的一种能够测量亚微牛顿力的三维微力传感器，其特征在于， 所述的压敏电阻Rxl、压敏电阻Rx2与压敏电阻Rx4、压敏电阻Rx3相对称；压敏电阻Ryl、 压敏电阻Ry2与压敏电阻Ry4、压敏电阻Ry3相对称；...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉龙，王伟忠，秦亚飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87