專利名稱：一種mems壓阻式多軸力傳感器及其制備方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造技術，具體涉及一種微機電系統(Micro-Electro-MechanicalSystems)MEMS壓阻式多軸力傳感器及其制備方法。
背景技術：
對多軸力傳感器的研究與開發始于20世紀80年代初，是繼微壓力傳感器之后第二個進入市場的微機械傳感器。作為微型慣性組合測量系統的核心器件，多軸力傳感器是能夠同時測量相互正交的多個軸向外力的微型裝置。MEMS多軸力傳感器是應用了多種學科交叉融合并具有戰略意義的微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems) MEMS的前沿高技術，由于MEMS多軸力傳感器具有微型化的優勢，在汽車、電子、家電、機電等行業和軍事領域有著極為廣闊的應用前景，是未來的主導產業之一。現有技術中的MEMS雙軸或三軸力傳感器從結構組成上可以分為兩類一類是在同一硅片上實現測量2個或3個軸向的加速度，最簡單的做法是在同一硅片上制作2個或3個獨立的敏感元結構，再配以相應的檢測電路；另一類是將2只或3只單自由度的傳感器正交放置，再封裝在一起，這實際上僅僅是微型雙軸或三軸力傳感器的組合模塊。這種多軸力傳感器只是將單自由度的傳感器簡單地組合在一起，不僅體積大，而且精度低。雖然，也出現了采用一個敏感元結構實現對力矢量測量的多軸力傳感器，然而這種傳感器很難解決各個軸之間的交叉耦合。
發明內容
針對以上提出的現有技術的不足，本發明提供一種MEMS壓阻式多軸力傳感器及其制備方法，本發明的傳感器制作工藝先進，靈敏度高、體積相對較小，單片集成微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems)MEMS多軸力傳感器,提高使用過程中傳感器的測
量信號穩定性及測量可靠性。本發明的一個目的在于提供一種MEMS壓阻式多軸力傳感器。本發明的MEMS壓阻式多軸力傳感器包括襯底、懸臂梁和壓阻條；其中，懸臂梁的一端通過錨點固定在襯底，另一端懸空；壓阻條采用斜注入的方法形成在懸臂梁的垂直面和平行面上，為一體的壓阻條。為了使懸臂梁與底部固定得更為牢固，增大錨點的面積，錨點的底面積為長方形，并且長邊與懸臂梁的懸空的一端垂直，從而，懸臂梁的水平剖面為T形。這種結構增大了錨點的底面積，從而使懸臂梁與襯底的固定更加穩定。襯底的材料采用半導體材料。斜注入的離子采用三價離子。本發明的MEMS壓阻式多軸力傳感器，采用斜注入的方法，與懸臂梁的垂直面傾斜一定的角度，在懸臂梁的垂直面進行離子注入，制備壓阻條，垂直面和水平面同時形成壓阻條，從而形成剖面為三角形的立體結構的一體的壓阻條。在懸臂梁的垂直面和平行面均設置有壓阻條，從而能夠同時檢測垂直方向和平行方向的壓力。而且，本發明的設置在懸臂梁的垂直面和平行面的壓阻條為一個整體，結構簡單，制備方便，而且精度更高。由于每個橫截面相關的最大應力值隨著到自由端的距離而成線性變化，壓阻條應放置在懸臂梁的表面并靠近固定端。斜注入與懸臂梁的垂直面的傾斜的角度為20° 45°。進一步，本發明的MEMS壓阻式多軸力傳感器連接外接電路，將懸臂梁上的壓阻條和參考電阻連成簡單的惠斯通電阻電橋，并連接信號處理電路。懸臂梁上的壓阻條的電阻值的變化與施加在懸臂梁上的微力的大小存在一定的關系。懸臂梁受到外力的作用可沿水平方向和垂直方向發生彎曲，彎曲時電阻值的變化反映了來自于水平方向和垂直方向的微作用力情況。通過將檢測懸臂梁上的壓阻條和參考電阻連成簡單的惠斯通電阻電橋，并經信號處理電路就可以獲取電阻的變化情況，從而間接計算出懸臂梁上微作用力的大小。本發明的另一個目的在于提供一種MEMS壓阻式多軸力傳感器的制備方法。本發明的MEMS壓阻式多軸力傳感器的制備方法，包括以下步驟I)提供半導體的襯底；2)采用MEMS技術加工懸臂梁；3)與懸臂梁的垂直面傾斜一定的角度，在懸臂梁的垂直面進行離子注入，制備壓阻條；4)將懸臂梁通過錨點以鍵合的方法固定在襯底上，完成MEMS壓阻式多軸力傳感器的制備。其中，在步驟3)中，離子注入與懸臂梁的垂直面的傾斜的角度為20° 45°。本發明的有益效果本發明的MEMS壓阻式多軸力傳感器，由于采用斜注入的方法制備壓阻條，在懸臂梁的垂直面和水平面同時制備形成一體的壓阻條，使得在施加一定微作用力時，懸臂梁通過橫向和垂向的敏感彎曲，彎曲時電阻值的變化間接反映了來自于垂直方向和水平方向的微作用力的情況。從而在系統體積比較小的情況下可以測量較精確的多方向的微作用力，是一種體積相對較小、靈敏度高的傳感器，在汽車、電子、家電、機電等行業和軍事領域有著極為廣闊的應用前景。
圖1為本發明的MEMS壓阻式多軸力傳感器的結構示意圖；圖2為沿圖1 (a)中A_A’線的懸臂梁的剖面圖。
具體實施例方式下面結合附圖，通過實施例進一步闡述本發明。如圖1所示，本發明的MEMS壓阻式多軸力傳感器包括襯底1、懸臂梁2和壓阻條3 ;懸臂梁2的一端通過錨點21鍵合在襯底I上。在本實施例中，懸臂梁的錨點與懸空的一端垂直，懸臂梁的水平剖面為T字形。采用斜注入的方法，與懸臂梁的垂直面的傾斜的角度為30°。壓阻條3的剖面為三角形，如圖2所示。
本發明的MEMS壓阻式多軸力傳感器的制備方法I)提供材料為硅的襯底；2)采用MEMS技術加工懸臂梁，懸臂梁的水平剖面為T字形；3)與懸臂梁的垂直面傾斜的角度為30°，在懸臂梁的垂直面進行鍺離子注入，制備壓阻條；4)將懸臂梁通過錨點以鍵合的方法固定在襯底上，完成MEMS壓阻式多軸力傳感器的制備。最后應說明的是雖然本說明書通過具體的實施例詳細描述了本發明的具體參數和結構，但是本領域的技術人員應該理解，本發明的實現方式不限于實施例的描述范圍，在不脫離本發明實質和精神范圍內，可以對本發明進行各種修改和替換，因此本發明的保護范圍視權利要求范圍所界定。
權利要求
1.一種MEMS壓阻式多軸力傳感器,其特征在于,所述多軸力傳感器包括襯底(I)、懸臂梁(2)和壓阻條(3);其中，所述懸臂梁(2)的一端通過錨點(21)固定在所述襯底(1)，另一端懸空；所述壓阻條(3)采用斜注入的方法形成在所述懸臂梁(2)的垂直面和平行面上， 為一體的壓阻條(3)。
2.如權利要求1所述的多軸力傳感器，其特征在于，所述襯底(I)的材料采用半導體材料。
3.如權利要求1所述的多軸力傳感器，其特征在于，所述斜注入的離子采用三價離子。
4.如權利要求1所述的多軸力傳感器，其特征在于，斜注入與所述懸臂梁(2)的垂直面的傾斜的角度為20° 45°。
5.如權利要求1所述的多軸力傳感器，其特征在于，所述懸臂梁(2)的水平剖面為T形。
6.如權利要求5所述的多軸力傳感器，其特征在于，所述多軸力傳感器連接外接電路， 將所述懸臂梁(2)上的壓阻條(3)和參考電阻連成簡單的惠斯通電阻電橋，并連接信號處理電路。
7.如權利要求1所述的多軸力傳感器，其特征在于，所述壓阻條放置在懸臂梁的表面并靠近固定端。
8.—種權利要求1所述的MEMS壓阻式多軸力傳感器的制備方法，其特征在于，所述方法，包括以下步驟1)提供半導體的襯底；2)采用MEMS技術加工懸臂梁；3)與懸臂梁的垂直面傾斜一定的角度，在懸臂梁的垂直面進行離子注入，制備壓阻條;4)將懸臂梁通過錨點以鍵合的方法固定在襯底上，完成MEMS壓阻式多軸力傳感器的制備。
9.如權利要求8所述的制備方法，其特征在于，在步驟3)中，離子注入與懸臂梁的垂直面的傾斜的角度為20° 45°。
全文摘要
本發明公開了一種MEMS壓阻式多軸力傳感器及其制備方法。本發明的多軸力傳感器包括襯底、懸臂梁和壓阻條；其中，懸臂梁的一端通過錨點固定在襯底，另一端懸空；壓阻條設置在懸臂梁的垂直面和平行面上，為一體的壓阻條。本發明由于采用斜注入的方法制備壓阻條，在懸臂梁的垂直面和水平面同時制備形成一體的壓阻條，使得在施加一定微作用力時，懸臂梁通過橫向和垂向的敏感彎曲，彎曲時電阻值的變化間接反映了來自于垂直方向和水平方向的微作用力的情況。從而在系統體積比較小的情況下可以測量較精確的多方向的微作用力，是一種體積相對較小、靈敏度高的傳感器，在汽車、電子、家電、機電等行業和軍事領域有著極為廣闊的應用前景。
文檔編號B81C3/00GK103017946SQ20121051857
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月5日 優先權日2012年12月5日
發明者張威, 周浩楠, 戴嘯寧, 沈唯真, 蘇衛國, 李宋, 陳廣忠 申請人:北京大學