用于微结构几何量测量的MEMS三维微触觉传感器的性能测试

　　1　引　言

　　近年来,随着微纳米加工技术的迅速发展,器件特征尺寸和与之关联的公差不断减小,而其形状结构复杂程度却不断增加,这就对微纳米尺度器件的检测提出了更高的需求。例如,在半导体工业中,检测的精度要求已经达到亚微米或者纳米水平,检测对象的范围也扩大到具有特殊或者复杂结构的微器件,以及微器件几十nm的特征尺寸等方面的特性信息。现有的微器件检测方法主要包括显微干涉、共聚焦显微、光学探针等光学方法[1],以及AFM、STM等扫描力显微方法等几种[2],但是,所有基于光学原理的形貌测量方法,由于存在衍射受限和系统的横向分辨率由物镜的数值孔径决定,所以一般在μm量级,这也就决定了它们不能分辨μm以下更细微的形貌特征。同时,对于一些特殊结构,如物体边缘孔径、物体表面的方向性和相关尺寸等信息,光学方法无法测量,所以不能实现真正的三维测量。而扫描力显微技术的测量方法虽然具有很高的纵向和横向分辨率,但很容易受到测量环境的干扰,并因此对测量结果产生较大的影响,同时,扫描力显微技术的测量范围只有几十个μm,这也严重地限制了扫描力显微术在微结构测试领域的进一步应用。

　　为了克服上述测量方法的局限性,当前微纳米领域几何量测量的主要工作集中在对微纳米坐标测量机技术的研究和开发,具体包括两方面的内容:高精度大范围的坐标定位平台和具有较高分辨力和测量精度的传感测头。本文针对一种用于微纳米坐标测量传感测头的三维微机电系统(MEMS)微触觉式传感器的性能测试,提出用于三维差动式检测的传感器压阻排布方式,以及相应的压阻信号全桥检测方法和微弱信号的调理电路,研究开发传感器的性能测试方法和测试装备,通过实验获得传感器的分辨力、量程、线性度、轴间耦合度等性能参数。

　　2　传感器的结构

　　三维MEMS微触觉式传感器由传感器的检测结构和封装结构两部分组成,其中检测结构用来感知被测物体位移量的变化,并通过敏感元件转换为便于测量的电信号。传感器的封装结构主要用来引出传感器的电极,固定悬挂结构,以及实现与三维定位平台的连接。

　　2.1　传感器的检测结构

　　根据图1所示的三维MEMS微触觉式传感器结构的实物照片所示,传感器在进行测量的过程中,测端1用来触觉被测物体的位移变化,测杆2用来将测端的位移变化传递到中心连接体4上,中心连接体和敏感梁5通过外框架3固定,敏感梁因为中心连接体的转动而弯曲,并通过表面扩散的压阻检测应力的变化。通过惠斯通电桥及后续放大调理电路处理,输出与被测几何量成正比的电压信号,从而实现对微位移或微力的高精度检测。其中传感器的测杆和测端采用超精密加工技术制成。中心连接体和敏感梁构成的悬挂系统采用标准MEMS体硅工艺加工。