探针型压力传感器及其制作方法.pdf

本发明提供一种探针型压力传感器及其制作方法，所述探针型压力传感器包括声表面波延迟线及探针，所述声表面波延迟线包括压电衬底和制作在压电衬底上的声表面波发生器及声表面波接收器，所述声表面波发生器与所述声表面波接收器沿声表面波传播方向相对设置，所述探针制作在压电衬底上并设置在声表面波发生器与声表面波接收器之间，在探针受到力的作用的情况下，声表面波延迟线的相位或频率发生变化。本发明探针型压力传感器的优点在于，其能够实现具有微纳米空间分辨率的力的传感，且获得更高的灵敏度和精确度。

权利要求书
1.  一种探针型压力传感器，其特征在于，包括声表面波延迟线及探针，所述声表面波延迟线包括压电衬底和制作在压电衬底上的声表面波发生器及声表面波接收器，所述声表面波发生器与所述声表面波接收器沿声表面波传播方向相对设置，所述探针制作在压电衬底上并设置在声表面波发生器与声表面波接收器之间，在探针受到力的作用的情况下，声表面波延迟线的相位或频率发生变化。

2.  根据权利要求1所述的探针型压力传感器，其特征在于，所述压电衬底的材料选自于铌酸锂、石英晶体、III-V族化合物、II-VI族化合物中的一种或几种。

3.  根据权利要求1所述的探针型压力传感器，其特征在于，所述声表面波发生器及声表面波接收器是导电薄膜制成的梳齿状电极。

4.  根据权利要求1所述的探针型压力传感器，其特征在于，所述探针具有一针尖，所述针尖的高度为在1微米~1毫米，所述针尖的曲率半径为10纳米~100微米。

5.  一种权利要求1所述的探针型压力传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤： 提供一压电衬底； 在所述压电衬底表面沿声表面波传播方向制作声表面波发生器及声表面波接收器； 在制作有声表面波发生器及声表面波接收器的压电衬底上制作探针，所述探针位于声表面波发生器与声表面波接收器之间。

6.  根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，采用光刻、镀膜微加工方法制作声表面波发生器及声表面波接收器。

7.  根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，采用光刻工艺和化学沉积或物理沉积的方法制作探针。

8.  一种权利要求1所述的探针型压力传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤： 提供一压电衬底； 在所述压电衬底表面制作探针； 在制作有探针的压电衬底表面制作声表面波发生器及声表面波接收器，所述声表面波发生器与所述声表面波接收器沿声表面波传播方向相对设置，所述探针位于声表面波发生器与声表面波接收器之间。

9.  根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，采用干法刻蚀或湿法腐蚀方法制作探针。

10.  根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，采用非接触式光刻工艺及剥离和腐蚀的方法制作声表面波发生器与所述声表面波接收器。

说明书探针型压力传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及声表面波器件和压力传感探测领域，尤其涉及一种具有微纳米尺度空间分辨率的基于声表面波的探针型压力传感器及其制作方法。
背景技术
随着科技的进步，智能机器人的开发和应用受到人们越来越广泛的重视。智能机器人具有获取信息、处理信息、并根据信息做出相应行为的能力。而其中用于获取信息的一个重要方式便是机器人身上的压力传感器。位于身体不同位置的多个压力传感器组成了智能机器人的“触觉系统”。智能机器人所用的压力传感器要求具有体积小、精度高、响应速度快等特点，而基于声表面波的压力传感器便是其中的一种。
声表面波（surface acoustic wave, SAW）是一种能量局域在固体表面传播的机械波；声表面波在传播过程中同时具有横波分量和纵波分量，即质点的运动轨迹是同时具有平行于和垂直于固体表面的椭圆形状。由于声表面波能量主要集中在固体表面传播，因此对固体表面的状态非常敏感，如固体表面受到外力、吸附气体等等，声表面波的传播就会受到影响。利用这一特点，声表面波器件可制作成压力传感器和气体传感器，被广泛应用于机器人、汽车和精密仪器等各个领域。
基于声表面波的压力传感器一般是通过声表面波延迟线结构实现。声表面波延迟线是通过在压电晶体或压电薄膜上制作两个具有一定间距的叉指换能器实现。其中一个叉指换能器实现电-声转换，用于产生声表面波；声表面波在传播一段距离后，也即是声波信号经过一段定向延迟后，通过另一个叉指换能器转换为电信号。其中，在声表面波传播的过程中，当固体表面受到外力而发生应变时，会对声表面波的波速影响，则延迟线的相位和频率会相应的发生变化。根据延迟线的频率和相位的变化就可以得到力的信息。
然而目前的这类声表面波压力传感器由于是通过整个表面受力，当受力不均匀时，会影响传感准确度和精度。例如，压力传感器上的一个点受到外力的作用，当受力点的位置不同时，会导致压力传感器的信号大小的差别；另外，相同大小的力，受力面积的大小也会造成传感信号的不同。这些都会导致传感精度变差。这些问题的存在限制了目前这类声表面波压力传感器的应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种探针型压力传感器及其制作方法，其能够实现具有微纳米空间分辨率的力的传感，且获得更高的灵敏度和精确度。
为了解决上述问题，本发明提供一种探针型压力传感器，包括声表面波延迟线及探针，所述声表面波延迟线包括压电衬底和制作在压电衬底上的声表面波发生器及声表面波接收器，所述声表面波发生器与所述声表面波接收器沿声表面波传播方向相对设置，所述探针制作在压电衬底上并设置在声表面波发生器与声表面波接收器之间，在探针受到力的作用的情况下，声表面波延迟线的相位或频率发生变化。
进一步，所述压电衬底的材料选自于铌酸锂、石英晶体、III-V族化合物、II-VI族化合物中的一种或几种。
进一步，所述声表面波发生器及声表面波接收器是导电薄膜制成的梳齿状电极。
进一步，所述探针具有一针尖，所述针尖的高度为在1微米~1毫米，所述针尖的曲率半径为10纳米~100微米。
一种上述的探针型压力传感器的制作方法，包括如下步骤：提供一压电衬底；在所述压电衬底表面沿声表面波传播方向制作声表面波发生器及声表面波接收器；在制作有声表面波发生器及声表面波接收器的压电衬底上制作探针，所述探针位于声表面波发生器与声表面波接收器之间。
进一步，采用光刻、镀膜微加工方法制作声表面波发生器及声表面波接收器。
进一步，采用光刻工艺和化学沉积或物理沉积的方法制作探针。
一种上述的探针型压力传感器的制作方法，包括如下步骤：提供一压电衬底；在所述压电衬底表面制作探针；在制作有探针的压电衬底表面制作声表面波发生器及声表面波接收器，所述声表面波发生器与所述声表面波接收器沿声表面波传播方向相对设置，所述探针位于声表面波发生器与声表面波接收器之间。
进一步，采用干法刻蚀或湿法腐蚀方法制作探针。
进一步，采用非接触式光刻工艺及剥离和腐蚀的方法制作声表面波发生器与所述声表面波接收器。
本发明的优点在于：探针的尖端曲率半径可以达到很小的尺寸，由于是通过探针的尖端接受力的作用，因此使用微纳米尺寸的尖端可以实现具有微纳米空间分辨率的力的传感。同时，本发明中突起的探针是唯一的受力点，而传统的声表面波压力传感器是整个表面受力，点受力相对于面受力可以使传感器获得更高的灵敏度和精确度。
附图说明
图1所示为本发明探针型压力传感器的结构示意图；
图2所示为本发明探针型压力传感器的一制作方法的步骤流程图；
图3所示为本发明探针型压力传感器的另一制作方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的探针型压力传感器及其制作方法的具体实施方式做详细说明。
图1所示为本发明探针型压力传感器的结构示意图。参见图1，本发明一种探针型压力传感器10包括声表面波延迟线及探针11。
所述声表面波延迟线包括压电衬底12和制作在压电衬底12上的声表面波发生器13及声表面波接收器14。在本具体实施方式中，所述声表面波发生器13及声表面波接收器14均为叉指换能器。所述声表面波发生器13与所述声表面波接收器14沿声表面波传播方向相对设置。所述声表面波发生器13在压电衬底12表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，即梳齿状，所述声表面波接收器14在压电衬底12表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，即梳齿状。所述声表面波发生器13通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号，所述声信号沿压电衬底12表面传播，最终由声表面波接收器14将声信号转变成电信号输出。
在本具体实施方式中，所述压电衬底12的材料选自于铌酸锂、石英晶体、III-V族化合物、II-VI族化合物中的一种或几种。所述声表面波发生器13及声表面波接收器14是导电薄膜制成的梳齿状电极，所述导电薄膜的材料可以是金属、石墨、导电有机材料中的一种或几种组合。
所述探针11制作在压电衬底12上并设置在声表面波发生器13与声表面波接收器14之间。在探针11受到微纳米尺度上局域的微小的力的作用的情况下，声表面波延迟线的相位或频率发生变化，该变化可以被系统电路检测到，从而实现力的传感。
探针型压力传感器在接受到外部的压力时，所有的压力都会集中到突起的探针11上，再由突起的探针11传递到声表面波传播的固体表面，即压电衬底12的表面，这样就可以克服受力不均匀的问题。突起的探针11是唯一的受力点，而传统的声表面波压力传感器是整个表面受力，点受力相对于面受力可以使传感器获得更高的灵敏度和精确度。
进一步，所述探针11具有一针尖（附图中未标示），所述针尖的高度为在1微米~1毫米，所述针尖的曲率半径为10纳米~100微米。由于探针11的尖端曲率半径可以达到很小的尺寸，且本发明探针型压力传感器是通过探针11的针尖接受力的作用，因此使用微纳米尺寸的针尖可以获得空间分辨率达到数十纳米的力学传感。
本发明还提供一种探针型压力传感器的制作方法，附图2所示为所述方法的步骤流程图。参见图2，所述方法包括如下步骤：
步骤S20、提供一压电衬底。所述压电衬底的材料选自于铌酸锂、石英晶体、III-V族化合物、II-VI族化合物中的一种或几种。
步骤S21、在所述压电衬底表面沿声表面波传播方向制作声表面波发生器及声表面波接收器。在本步骤中采用光刻、镀膜微加工方法制作声表面波发生器及声表面波接收器。光刻、镀膜微加工方法均为现有技术，在此补赘述。
步骤S22、在制作有声表面波发生器及声表面波接收器的压电衬底上制作探针，所述探针位于声表面波发生器与声表面波接收器之间。在本步骤中可以采用光刻工艺和化学沉积或物理沉积的方法制作探针。光刻工艺和化学沉积或物理沉积的方法均为现有技术，在此不赘述。
本发明还提供另一探针型压力传感器的制作方法，附图3所示为所述方法的步骤流程图。参见图3，包括如下步骤：
步骤S30、提供一压电衬底。所述压电衬底的材料选自于铌酸锂、石英晶体、III-V族化合物、II-VI族化合物中的一种或几种。
步骤S31、在所述压电衬底表面制作探针。在本步骤中采用干法刻蚀或湿法腐蚀方法制作探针。干法刻蚀或湿法腐蚀方法均为现有技术，在此不赘述。
步骤S32、在制作有探针的压电衬底表面制作声表面波发生器及声表面波接收器，所述声表面波发生器与所述声表面波接收器沿声表面波传播方向相对设置，所述探针位于声表面波发生器与声表面波接收器之间。在本步骤中采用非接触式光刻工艺及剥离和腐蚀的方法制作声表面波发生器与所述声表面波接收器。非接触式光刻工艺及剥离和腐蚀的方法均为现有技术，在此不赘述。
本发明还提供一探针型压力传感器的制作方法的实施例
步骤1：选用铌酸锂压电晶体作为衬底。
步骤2：在铌酸锂压电晶体表面采用光刻的方法制作出图形，采用等离子体刻蚀的方法，将铌酸锂压电晶体上没有光刻胶覆盖的表面去除，有光刻胶覆盖的表面没有被刻蚀掉，形成探针。
步骤3：在制作有探针的铌酸锂压电晶体表面沉积金属导电薄膜，采用非接触光刻工艺在金属薄膜表面制作出光刻胶图形，再采用等离子体刻蚀的方法制作出声表面波发生器与所述声表面波接收器，从而制作出本发明探针型压力传感器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。