專利名稱：薄膜性能測試用微型彈簧力學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測試技術(shù)領(lǐng)域的傳感裝置的制作方法，具體地說，是一 種薄膜性能測試用微型彈簧力學(xué)傳感器的制作方法。
背景技術(shù)：
隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種薄膜材料廣泛應(yīng)用在各種微 器件中。這些薄膜材料的力學(xué)性能對MEMS器件的可靠性設(shè)計非常重要，所以測 試微米尺度薄膜材料的力學(xué)性能非常重要。微尺度環(huán)境下的拉伸測試實驗的難點 之一就是微小力的施加與測量。因為在薄膜測試系統(tǒng)中，通常拉力在毫牛級，甚 至微牛級。所以如何精確控制拉力是決定實驗結(jié)果正確與否的關(guān)鍵因素。目前商 用拉力傳感器最小量程約在200毫牛，分辨率約為1毫牛，但是對于力傳感器如 何與薄膜測試系統(tǒng)集成，是目前商用拉力傳感器的難點，其價格也十分昂貴。而 且，對于要求更為精確的微牛級拉力傳感器，分辨率尚無法滿足要求。微彈簧是 一種非常重要且典型的微機(jī)電系統(tǒng)器件，是微傳感器、微執(zhí)行器和微陀螺儀等的 重要組成部分，它不僅可為其提供彈性力，而且能夠傳遞能量。即微彈簧的性能
對其它器件能否按照設(shè)計要求正確發(fā)揮作用起著至關(guān)重要的作用。近年來，利用 彈簧作為微型傳感器的結(jié)構(gòu)部件常見于各個領(lǐng)域中。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號為02215264.4，授權(quán)號 CN2524233Y，專利名稱微力傳感器，其特點是由線切割技術(shù)加工出一塊超薄的 合金片作為懸臂梁，其長度為50 60毫米，寬度約為15 20毫米，厚度約為 0. 1 0. 3毫米。 一個非接觸式距離測微元件作為敏感元件安裝在懸臂梁下方 (電容式、電感式或霍爾效應(yīng)式)，當(dāng)懸臂梁的自由端受被測力作用時，懸臂梁 和敏感元件之間產(chǎn)生一個與被測力成正比的間隙變化量。這樣就可以把位移的變 化轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而可以得出被測力與輸出電壓之間的關(guān)系。但是線切割 精度的限制，懸臂量的尺寸難以做到微米級別。所以對于要求精度很高的測量情
況，其仍然不能滿足要求，而且在機(jī)械-電信號轉(zhuǎn)換過程中，很難控制其線性度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種薄膜性能測試用微型彈簧 力學(xué)傳感器的制作方法，利用UV—LIGA (UV-紫外，LIGA德語Lithographie、 Galvanoformung和Abformung的縮寫，即光刻、電鍍和壓膜)技術(shù)，制備一種 精度高、線性好、易于操作的微型彈簧力學(xué)傳感器，經(jīng)過精確標(biāo)定，使其滿足薄 膜材料(如各種單質(zhì)金屬、合金和復(fù)合材料)的微拉伸測試要求。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，包括如下步驟
第一步，在玻璃片基片上，濺射厚度為金屬Ti層，并作氧化處理；
所述金屬Ti層，其厚度為800 1000A。
第二步，在濺射、氧化處理的玻璃片基片上，依次進(jìn)行甩負(fù)性光刻膠、前烘、 切片、曝光、中烘、顯影處理，根據(jù)掩模版設(shè)計的微型彈簧力學(xué)傳感器形狀，實 現(xiàn)微型彈簧力學(xué)傳感器光刻膠結(jié)構(gòu)的圖形化；
第三步，在圖形化的導(dǎo)電層上，電鍍出具有高深寬比(10: 1 30: 1)結(jié)構(gòu) 的Ni彈簧層；
第四步，以平面加工技術(shù)，將上述的Ni彈簧層進(jìn)行平坦化加工；
根據(jù)微型彈簧力學(xué)傳感器的整體設(shè)計要求，重復(fù)進(jìn)行第二步到第四步操作，
獲得不同厚度、不同連接形式的微型彈簧力學(xué)傳感器主體；
第五步，在微型彈簧力學(xué)傳感器主體上，再依次進(jìn)行甩負(fù)性光刻膠、前烘、 切片、曝光、中烘、顯影處理，根據(jù)掩模版設(shè)計的對準(zhǔn)標(biāo)記和位移標(biāo)記的形狀，
實現(xiàn)電化學(xué)沉積，形成完整的微型彈簧力學(xué)傳感器；
第六步，最后去負(fù)膠、去殘留玻璃、Ti濺射層，得到具有高深寬比(最高
為30: 1)、表面質(zhì)量好的高精度(最高為O. lmN/um)微型彈簧力學(xué)傳感器。 所述微型彈簧力學(xué)傳感器以蛇形或正弦形彈簧為傳感載荷。 所述微型彈簧力學(xué)傳感器端部形狀選擇鴨嘴形、針形或耙子形。 所述微型彈簧力學(xué)傳感器的彈簧線寬50-200m，厚度500-1500剛，匝數(shù)3-10
匝，直梁長度300-1200Mni，內(nèi)徑100-400Wn。
所述微型彈簧力學(xué)傳感器的彈性系數(shù)為(0. 1-2000mN/幽)。 本發(fā)明制備出的微型彈簧力學(xué)傳感器經(jīng)過精確測量裝置進(jìn)行標(biāo)定，便可得到
其彈性系數(shù)。這樣在薄膜力學(xué)性能測試系統(tǒng)中，只要通過精確微型彈簧力學(xué)傳感 器上的位移標(biāo)記測量出拉伸過程中的位移，通過虎克定律F=kX就可以得到微小 的拉力。
本發(fā)明借助UV — LIGA技術(shù)和負(fù)性光刻膠的優(yōu)勢， 一次光刻可以加工厚度 500um、線寬50ym的高深寬比微彈簧結(jié)構(gòu)，同時，通過改變掩模版的設(shè)計，可 以豐富微彈簧的結(jié)構(gòu)形式，獲得高分辨率、彈性系數(shù)可變調(diào)控的微型彈簧力學(xué)傳 感器。本發(fā)明工藝簡單、成本低，而且制備的微型彈簧力學(xué)傳感器線性度好、分 辨率高、易于集成、使用壽命較長，并可以根據(jù)要求調(diào)整彈簧的參數(shù)，制備不同 分辨率的微型彈簧拉力力學(xué)傳感器。


圖1是本發(fā)明制備的鴨嘴形微型彈簧力學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明制備的針形微型彈簧力學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明制備的耙子形微型彈簧力學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 上述圖中鴨嘴形拉伸頭l、對中標(biāo)記2、位移標(biāo)記3、 Ni彈簧層4和固定 孔5、針形拉伸頭6、耙子形拉伸頭7。 圖4是本發(fā)明工藝流程其中4a為濺射Ti; 4b氧化處理Ti層后形成Ti02; 4c為光刻膠圖形化微 型彈簧力學(xué)傳感器；4d為電鍍出微型彈簧力學(xué)傳感器；4e為電鍍出對中標(biāo)記和 位移標(biāo)記；4f為去膠、去種子層，釋放出微型彈簧力學(xué)傳感器；
圖中基片8， Ti種子層9， Ti02層10，光刻膠ll，鎳鍍層12，標(biāo)記13。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實施例。
實施例1
本實施例1是在以下實施條件和技術(shù)要求條件下實施的
(1)在3英寸的玻璃片上，濺射1000A金屬鈦(圖4a)，并在65。C溫度下， 在2% NaOH和1% HA的混合溶液中氧化處理3分鐘，形成均勻、致密的黑色氧 化鈦薄膜層(圖4b)，以保證與光刻膠之間具有良好的結(jié)合力；
(2) 接著在氧化鈦薄膜層上甩SU-8-50型負(fù)性光刻膠(供應(yīng)商香港電子; SU-8-50是型號)，其后依次進(jìn)行前烘、切片、曝光、中烘、顯影處理，根據(jù)掩 模版設(shè)計的微型彈簧力學(xué)傳感器形狀，實現(xiàn)其光刻膠結(jié)構(gòu)的圖形化(圖4c);
(3) 利用疊層電鍍技術(shù)，在處理好的氧化鈦層上，在50。C、 pH4.0的條件 下，以20Wn/h的沉積速率電鑄出圖1中鴨嘴形拉伸頭1，圖1、圖2和圖3中 500Mm Ni彈簧層4和固定孔5 (圖4d);
(4) 將微型彈簧力學(xué)傳感器的表面進(jìn)行磨削、拋光處理，磨去凸凹不平的 Ni金屬層，進(jìn)行圖1、圖2中對中標(biāo)記2和位移標(biāo)記3，或圖3中位移標(biāo)記3的 圖形化；
(5) 在50°C、 pH4. 0的條件下，以20Wn/h的沉積速率沉積出約5 u m的鎳 對中標(biāo)記和5001%的T型位移標(biāo)記(圖4e);
(6) 將上述工藝制備的微型彈簧力學(xué)傳感器進(jìn)行去負(fù)膠、去殘留玻璃、Ti 濺射層后，最終得到高深寬比(10: 1)、高分辨率(彈性系數(shù)0. lmN/Wn)的微 型彈簧力學(xué)傳感器(圖4f)。其彈簧線寬為50Pffl，厚度為500Mm，匝數(shù)為10匝， 直梁長度為1200Mffi,內(nèi)徑為400jim。
實施例2
本實施例2是在以下實施條件和技術(shù)要求條件下實施的
(1) 在4英寸的玻璃片上，濺射800 A金屬鈦(圖4a)，接著重復(fù)如實施 例1中(1)步驟的氧化處理(圖4b);
(2) 按照實施例l中步驟(2)，獲得微型彈簧力學(xué)傳感器陣列光刻膠結(jié)構(gòu) 的圖形化(圖4c);
(3) 按照實施例1中步驟(3)的方法，電鑄出圖1、圖3中l(wèi)OOOMmNi彈 簧層4和固定孔5，或者圖2中1000陶Ni彈簧層4、固定孔5及針形拉伸頭6;
(4) 按照實施例1中步驟(4)的方法，將微型彈簧力學(xué)傳感器的表面面進(jìn) 行磨削、拋光處理，進(jìn)行圖l、圖2中對中標(biāo)記2和位移標(biāo)記3，或圖3中位移 標(biāo)記3的圖形化；
(5) 按照實施例l中歩驟(5)的方法，然電鍍出厚約5ym的鎳對中標(biāo)記 和約500 u m的鎳T型位移標(biāo)記(圖4e);
(6) 按照實施例1中歩驟(6)的方法，得到高深寬比(20: 1)、高分辨率(彈性系數(shù)為5. 5mN/u m)的微型彈簧力學(xué)傳感器(圖4f )。其彈簧線寬50為Wn， 厚度為1000Mffl,匝數(shù)為7匝，直梁長度為700Mm，內(nèi)徑為250Mm。 實施例3
本實施例3是在以下實施條件和技術(shù)要求條件下實施的
(1) 在6英寸的玻璃片上，濺射900A金屬鈦(圖4a)，然后重復(fù)實施例l 中步驟(1)的氧化處理(圖4b);
(2) 按照實施例1步驟(2)的方法，得到掩模版設(shè)計的微型彈簧力學(xué)傳感 器結(jié)構(gòu)的圖形化(圖4c);
(3) 按照實施例1中步驟(3)的方法，電鑄出圖1和圖2中1500陶Ni 彈簧層4和固定孔5，或者圖3中1500m Ni彈簧層4、固定孔5和耙子形拉伸 頭7;
(4) 按照實施例1中步驟(4)的方法，將微型彈簧力學(xué)傳感器的表面面進(jìn) 行磨削、拋光處理，進(jìn)行圖l、圖2中對中標(biāo)記2和位移標(biāo)記3，或圖3中位移 標(biāo)記3的圖形化；
(5) 按照實施例l中步驟(5)的方法，沉積出約厚約5ixm的鎳對中標(biāo)記 和500陶的T型位移標(biāo)記(圖4e);
(6) 按照實施例1中步驟(6)的方法，得到高深寬比(30: 1)、高分辨率 (彈性系數(shù)為2000mN/陶)的微型彈簧力學(xué)傳感器(圖4f )。其彈簧線寬為50剛，
厚度為1500Mffl，匝數(shù)3匝，直梁長度為300Mffi，內(nèi)徑為100Wn。
本發(fā)明制備的微型彈簧力學(xué)傳感器與現(xiàn)有的力學(xué)傳感器相比，工藝簡單，線 性度好，分辨率高，成本低，而且易于和薄膜力學(xué)性能測試系統(tǒng)集成。
權(quán)利要求
1.一種薄膜性能測試用微型彈簧力學(xué)傳感器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟第一步，在玻璃片基片上，濺射金屬Ti層，并作氧化處理；第二步，在濺射、氧化處理的玻璃片基片上，依次進(jìn)行甩負(fù)性光刻膠、前烘、切片、曝光、中烘、顯影處理，根據(jù)掩模版設(shè)計的微型彈簧力學(xué)傳感器形狀，實現(xiàn)微型彈簧力學(xué)傳感器光刻膠結(jié)構(gòu)的圖形化；第三步，在圖形化的導(dǎo)電層上，電鍍出具有10∶1～30∶1高深寬比結(jié)構(gòu)的Ni彈簧層；第四步，以平面加工技術(shù)，將上述的Ni彈簧層進(jìn)行平坦化加工；第五步，在微型彈簧力學(xué)傳感器主體上，再依次進(jìn)行甩負(fù)性光刻膠、前烘、切片、曝光、中烘、顯影處理，根據(jù)掩模版設(shè)計的對準(zhǔn)標(biāo)記和位移標(biāo)記的形狀，實現(xiàn)電化學(xué)沉積，形成完整的微型彈簧力學(xué)傳感器；第六步，最后去負(fù)膠、去殘留玻璃、Ti濺射層，得到微型彈簧力學(xué)傳感器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜性能測試用微型彈簧力學(xué)傳感器的制作方法， 其特征是，第一步中，所述金屬Ti層，其厚度為100納米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜性能測試用微型彈簧力學(xué)傳感器的制作方法， 其特征是，所述微型彈簧力學(xué)傳感器以蛇形或正弦形彈簧為傳感載荷。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的薄膜性能測試用微型彈簧力學(xué)傳感器的制作 方法，其特征是，所述微型彈簧力學(xué)傳感器端部形狀為鴨嘴形、針形、耙子形中 一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的薄膜性能測試用微型彈簧力學(xué)傳感器的制作 方法，其特征是，所述微型彈簧力學(xué)傳感器的彈簧線寬50-200Wn，厚度 500-1500Wn，匪數(shù)3-10匣，直梁長度300-1200Mm，內(nèi)徑100-400Rb。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的薄膜性能測試用微型彈簧力學(xué)傳感器的制作 方法，其特征是，所述微型彈簧力學(xué)傳感器的彈性系數(shù)為0. l-2000mN/Mm。
全文摘要
一種測試技術(shù)領(lǐng)域的薄膜性能測試用微型彈簧力學(xué)傳感器的制作方法，步驟玻璃片上，濺射金屬Ti層，并作氧化處理，在濺射、氧化處理的玻璃片上，進(jìn)行甩負(fù)性光刻膠、前烘、顯影，根據(jù)掩模版設(shè)計的微型彈簧力學(xué)傳感器形狀，實現(xiàn)其光刻膠結(jié)構(gòu)的圖形化；在處理好氧化鈦層上，電鑄出Ni彈簧層；將微型彈簧力學(xué)傳感器進(jìn)行平坦化加工；在Ni電鍍層上，采用電沉積技術(shù)進(jìn)行對準(zhǔn)標(biāo)記和位移標(biāo)記的沉積；去負(fù)膠、去殘留玻璃、Ti濺射層后，最終得到微型彈簧力學(xué)傳感器。本發(fā)明制備的微型彈簧力學(xué)傳感器線性度好，工藝簡單，分辨率高，成本低，而且易于和薄膜力學(xué)性能測試系統(tǒng)集成。
文檔編號B81C1/00GK101343033SQ20081004216
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者丁桂甫, 瑞 劉, 李雪萍, 俊 湯, 紅 汪 申請人:上海交通大學(xué)