[发明专利]一种微型变刚度悬臂梁结构、制备方法及传感器

说明书

本发明公开了一种微型变刚度悬臂梁结构、制备方法及传感器，本发明本发明微型变刚度悬臂梁的制备方法可实现变刚度悬臂梁结构的精确制备，可通过调节前后悬臂梁结构的尺寸来调节刚度，以调节完整悬臂梁结构的动态检测范围和灵敏度，可以有效解决现有技术中仅通过改变单级悬臂梁的尺寸无法实现光反射式传感器灵敏度与量程两项指标的双提升的问题。通过本发明中的微纳加工方式可实现变刚度微悬臂梁的微型化、按需可控制备，进一步拓宽了悬臂梁传感器的应用范围并为光反射式传感器微型化奠定坚实基础。本发明可通过改变现有变刚度悬臂梁结构，如在悬臂顶部制备针尖结构，进一步拓展应用范围。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种微型变刚度悬臂梁结构、制备方法及传感器。

背景技术

原子力显微镜(AFM)是一种具有原子级别高分辨率的新型表面分析仪器，它不但能像扫描隧道显微镜(STM)那样观察导体和半导体材料的表面现象，而且能用来观察诸如玻璃、陶瓷等非导体表面的微观结构。

原子力显微镜是利用一个对力敏感的探针针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的。参照图1，将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触，由于针尖原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力，微悬臂会发生微小的弹性形变，打在悬臂的激光会发生偏转，通过光电转换，将光信号转换为电信号，从而实现样品表面成像，其精度可达到纳米级别。

受原子力探针检测原理启发，基于悬臂式光学检测的传感器，探测原理为敏感悬臂梁受外部环境变化(如加速度)发生弹性形变，经过悬臂反射的激光继而发生偏转，从而通过光电转换，可实现外部环境信息的电学信号提取。但是目前通用的探测悬臂厚度均一，其整体弹性形变无法达到数量级的差异，从而造成基于这种探测方式的传感器无法实现跨量级的动态范围检测。

目前基于悬臂式光反射原理的传感器中，大都处在理论验证和原理样机搭建的阶段，体积较大。参照图2，其原理主要是将外部光束照射到悬臂中，通过悬臂与外置反射镜的多次反射实现驱动位移的放大。

在对比文件“高精度光杠杆式微加速度计的研究[D],浙江大学，2007”中，模型系统中由矩形钢片构成悬臂梁。平面镜粘贴在铝块上,二者共同构成质量块。平面镜同时还是位移检测系统的一部分。悬臂梁一端固定在底板上的支架上，另一端是自由端，粘贴质量块。

在对比文件“On the design of piezoresistive silicon cantilevers withstress concentration regions for scanning probe microscopy applications[J]2000”中，通过硅外延工艺制备出底部较薄的压阻式悬臂，可以增加压阻式悬臂的探测灵敏度。

参照图3，在对比文件“梯形变截面悬臂梁式微质量传感器设计与分析[J]2012”中，悬臂梁材质为高弹簧钢薄片，压电层为PZT-5，通过线切割工艺制备。

可见，现有的大多数变截面微悬臂厚度一致，尺寸主要在长宽方向变化，受力时悬臂梁无法实现跨数量级弹性变形，导致敏感单元动态测量范围较小，无法实现灵敏度与检测范围的双提升。

目前基于光反射原理的感知元件不是基于微纳加工工艺制备，如现有光杠杆式加速度计，其悬臂感知单元体积较大，无法实现传感器的微型化制备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种微型化、灵敏度高、动态检测范围可调的微型变刚度悬臂梁的制备方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种微型变刚度悬臂梁的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供一双埋层SOI基底；

S2、在所述双埋层SOI基底上形成第一光刻胶层，对所述第一光刻胶层进行光刻；