王伟忠;赵玉龙;林启敬
【摘 要】In this paper, an improved micro electro mechanical system (MEMS) tri-axial micro-force probe sensor based on piezoresistive effect was designed and its performance was tested. A cross-beam with a platform suspended within a frame formed the flexible structure of the sensing element and the terraced probe was formed with quartz fiber, so that the anti jamming capacity and sensitivity of the sensor were significantly improved. The overload-protection element was designed to protect the sensor and the final sensor was 4 mm x4 mm × 16 mm. Then the sensor was tested by the tri-axial precision test bench and analytical balance, and the performance test results show that the sensitivity of the sensor is better than 0.010 6 mV/μN, the resolution is better than 3 μN and the linearity error is better than 0.94％ of full scale. Therefore, with small volume, low cost, high sensitivity and resolution, good linearity and anti jamming, the proposed sensor will be widely used in the field of micro-force testing.%设计了一种基于压阻效应的微机电系统(MEMS)三维微力探针传
感器并对其进行了性能测试.传感器传感单元采用四梁支撑结构,接触探针采用台阶式石英光纤,使传感器的抗干扰能力和灵敏度得到了显著的提高.设计了传感器的过载保护单元,传感器整体尺寸为4 mm×4 mm×16 mm.利用三维超精密定位平台与分析天平搭建传感器测试平台,对三维微力传感器进行性能测试.测试结果表明,该传感器灵敏度优于0.010 6 mV/μN,分辨率优于3μN,非线性误差优于传感器满量程的0.94%.因此,该传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、抗干扰能力强、线性好、分辨率高的特点,在微力测试领域拥有广阔的应用前景. 【期刊名称】《纳米技术与精密工程》
【年(卷),期】2011(009)003复合肥振动筛
【总页数】4页(P199-202)
【关键词】MEMS传感器;三维微力;探针;性能测试
【作 者】王伟忠;赵玉龙;林启敬
【作者单位】西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安710049;西安交通大学
机械制造系统工程国家重点实验室,西安710049;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安710049
【正文语种】中 文
【中图分类】TH823
力传感器作为力测试仪器及机械力操作系统的主要元件被广泛应用于军事与工业领域.随着微机电系统(MEMS)技术的不断发展，越来越多的学者与科研机构开始对微观世界进行深入研究［1］，传统的力传感器已不能满足MEMS系统中微尺度结构力学性能研究的需求［2］，如机器人触觉系统中的微力测量与加载、微纳器件装配中的微力监测、人体微血管张力测量、生物技术、细胞操作以及微纳制造技术等领域［3-4］中对微力测量与控制的需求.为了满足以上需求，国内外科研机构基于MEMS技术研制开发了多种微力传感器，促进了微力学领域的迅速发展.同时，所研制的传感器仍存在一些问题:①目前研制的传感器不能满足对三维μN级力的测量与控制，只能测量三维mN级力或二维μN级力［5-6］;②目前传感器的探针主要分为两种，一种是基于体硅工艺制作，加工工艺比较复杂，探杆仅有 100 ～200 μm，不易操作［7］，另一种为金属探针，探针顶端为红宝石或玻璃探头，该探针
电梯试验塔极易受到磁场的影响，工作环境受到限制，且成本昂贵，不易加工［4］.
针对以上问题，基于压阻效应，结合MEMS技术设计了一种三维微力探针传感器，该传感器传感单元应用MEMS技术加工而成，采用台阶式石英光纤为接触探针，可以测量三维μN量级的力，具有较强的抗干扰能力.本文主要研究该传感器的结构设计及其性能测试.
1 传感器结构设计与封装
rj45防水接头三维微力探针传感器主要分为3个单元，分别为弹性单元、过载保护单元以及力接触与传递单元，其结构如图1所示.
图1 三维微力探针传感器结构示意
1.1 传感器结构设计
目前三轴体硅压阻式桥梁力传感器的传感单元有很多结构，包括双桥梁、四梁、六梁、双岛五梁和四边梁等.这些结构都是利用压阻效应，在悬臂梁的应力集中部位制作压敏电阻，以达到对外界三维微力测量的目的.综合考虑灵敏度、加工工艺、稳定性等各方面的影响因
素，本传感器弹性单元采用灵敏度高、结构简单的四梁结构，利用4个单端固支弹性敏感梁支撑中心悬块，并将微力探针固定在悬块上.该结构中心对称，相互垂直的悬臂梁提供了各方向应力解耦的结构条件，能够较好地消除非对称结构引起的交叉干扰.同时，x、y方向的结构对称使两个方向的输出基本对称，减小了输出信号处理的难度.另外，弹性单元采用MEMS体硅与表面硅工艺加工制作于SOI硅片(100)上，相对于双岛五梁结构、六梁结构，四悬臂梁垂直结构减少了加工工艺的复杂度;相对于四边梁结构，四梁结构则大大减小了传感器芯片的引线键合、封装、测试的难度，有利于提高器件的加工成品率.
半夏去皮机
为避免力传感器在较大的外界载荷作用下发生损坏，必须对力传感器进行限位过载保护设计.采用Pyrex7740玻璃作为过载保护单元，通过阳极键合技术与弹性单元键合在一起，同时在两单元之间留有5 μm活动空隙，以保证传感器的正常工作.当传感器过载时，悬挂块底部与玻璃接触，从而避免了悬臂梁的断裂破坏，如图2所示.
图2 弹性单元与过载保护单元的结构
力接触单元是微力传感器中与被测对象接触并传递力学信号的重要部分.针对目前传感器传感单元(即微力探针)存在尺寸小不易操作以及容易受电磁干扰的问题，采用石英光纤为探
针加工材料.石英光纤探针具有重量轻、刚度好、粘接容易、便于加工、成本低廉及抗干扰能力强等特点，且石英光纤主要成分为SiO2，与Si热膨胀系数相近，可以有效降低封装过程的残余应力.
在选择合适的微力探针材料的基础上，探针优化设计主要包括两个方面:①减少微力探针的变形，提高微力探针的刚度，保证外界作用力全部通过探针传递到三维力转化平台的悬臂梁上;②为保证三维微力测量的灵敏度，同时便于操作，应尽量增加微力探针的长度和减小针尖的半径，这样会减小微力探针的刚度.为了同时满足刚度与测量灵敏度的要求，探针采用台阶式结构，如图3所示.同时，探针与悬块连接处有较大的接触面积，减小了两单元之间的接触应力，降低了检测误差.探针分为3个台阶，总长1.5 cm，第1台阶直径为900 μm，第 2台阶直径为 250 μm，针尖直径为125 μm，这种结构显著提高了传感器的灵敏度.
图3 探针的结构
1.2 传感器封装
封装是半导体器件制造中的重要环节，对器件的功能特性、工作可靠性等具有直接的影响.
为了降低封装应力对传感器性能的影响、缩小传感器的封装体积，利用机械性能好、粘贴强度高、温度效应小的环氧胶将阶梯式石英光纤探针粘贴在传感单元的悬挂块上，然后将传感器封装在陶瓷扁平封装管壳中，将粘贴完成的传感器放入烘箱中加热至60℃，并且持续60 min进行环氧粘胶的固化，固化完成后自然冷却到室温，最后利用超声波金丝球焊机通过金线将传感器芯片的引脚键合到管壳引脚上，如图4所示，完成封装的传感器整体尺寸为4 mm×4 mm×16 mm.
图4 完成封装的三维微力探针传感器
珠光膜
2 传感器性能测试
新研制的传感器在实际应用之前，必须进行性能测试，通过测试数据衡量传感器的好坏，并以此为依据改进传感器的设计及加工工艺［8］.利用三维超精密定位平台结合分析天平对压阻式三维微力探针传感器进行了性能测试.
2.1 传感器电阻排布及其检测方法
飞行棋棋盘
所谓压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻或电
阻率发生变化的现象.三维微力传感器采用离子注入方式在传感单元敏感梁上制作压敏电阻，利用压阻效应将被测应力转换成压敏电阻的变化，此时电阻的相对变化与应力之间的关系为
式中:βl为纵向压阻系数;βt为横向压阻系数;σl为纵向应力;σt为横向应力.
由式(1)可知，传感器的灵敏度，即压阻变化率，取决于传感器材料的压阻系数以及压敏电阻所在的敏感梁的应力.单晶硅材料各向异性，其(100)晶面上［110］与晶向压阻系数最大;利用ANSYS软件对传感器进行结构应力分析，可知当对传感器施加外界载荷时，传感器敏感梁两端所受应力最大，故沿［110］与晶向在传感器敏感梁两端布置压敏电阻，如图5所示.并将12个压敏电阻连成3个惠斯通桥路分别测量x、y、z 3个方向的力，如图6所示.
2.2 测试平台及性能测试结果分析
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议