探針型壓力傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聲表面波器件和壓力傳感探測領(lǐng)域，尤其涉及一種具有微納米尺度空間分辨率的基于聲表面波的探針型壓力傳感器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的進步，智能機器人的開發(fā)和應(yīng)用受到人們越來越廣泛的重視。智能機器人具有獲取信息、處理信息、并根據(jù)信息做出相應(yīng)行為的能力。而其中用于獲取信息的一個重要方式便是機器人身上的壓力傳感器。位于身體不同位置的多個壓力傳感器組成了智能機器人的“觸覺系統(tǒng)”。智能機器人所用的壓力傳感器要求具有體積小、精度高、響應(yīng)速度快等特點，而基于聲表面波的壓力傳感器便是其中的一種。
[0003]聲表面波(surface acoustic wave, SAW)是一種能量局域在固體表面?zhèn)鞑サ臋C械波；聲表面波在傳播過程中同時具有橫波分量和縱波分量，即質(zhì)點的運動軌跡是同時具有平行于和垂直于固體表面的橢圓形狀。由于聲表面波能量主要集中在固體表面?zhèn)鞑ィ虼藢腆w表面的狀態(tài)非常敏感，如固體表面受到外力、吸附氣體等等，聲表面波的傳播就會受到影響。利用這一特點，聲表面波器件可制作成壓力傳感器和氣體傳感器，被廣泛應(yīng)用于機器人、汽車和精密儀器等各個領(lǐng)域。
[0004]基于聲表面波的壓力傳感器一般是通過聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。聲表面波延遲線是通過在壓電晶體或壓電薄膜上制作兩個具有一定間距的叉指換能器實現(xiàn)。其中一個叉指換能器實現(xiàn)電-聲轉(zhuǎn)換，用于產(chǎn)生聲表面波；聲表面波在傳播一段距離后，也即是聲波信號經(jīng)過一段定向延遲后，通過另一個叉指換能器轉(zhuǎn)換為電信號。其中，在聲表面波傳播的過程中，當(dāng)固體表面受到外力而發(fā)生應(yīng)變時，會對聲表面波的波速影響，則延遲線的相位和頻率會相應(yīng)的發(fā)生變化。根據(jù)延遲線的頻率和相位的變化就可以得到力的信息。
[0005]然而目前的這類聲表面波壓力傳感器由于是通過整個表面受力，當(dāng)受力不均勻時，會影響傳感準(zhǔn)確度和精度。例如，壓力傳感器上的一個點受到外力的作用，當(dāng)受力點的位置不同時，會導(dǎo)致壓力傳感器的信號大小的差別；另外，相同大小的力，受力面積的大小也會造成傳感信號的不同。這些都會導(dǎo)致傳感精度變差。這些問題的存在限制了目前這類聲表面波壓力傳感器的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種探針型壓力傳感器及其制作方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)具有微納米空間分辨率的力的傳感，且獲得更高的靈敏度和精確度。
[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種探針型壓力傳感器，包括聲表面波延遲線及探針，所述聲表面波延遲線包括壓電襯底和制作在壓電襯底上的聲表面波發(fā)生器及聲表面波接收器，所述聲表面波發(fā)生器與所述聲表面波接收器沿聲表面波傳播方向相對設(shè)置，所述探針制作在壓電襯底上并設(shè)置在聲表面波發(fā)生器與聲表面波接收器之間，在探針受到力的作用的情況下，聲表面波延遲線的相位或頻率發(fā)生變化。
[0008]進一步，所述壓電襯底的材料選自于鈮酸鋰、石英晶體、II1-V族化合物、I1-VI族化合物中的一種或幾種。
[0009]進一步，所述聲表面波發(fā)生器及聲表面波接收器是導(dǎo)電薄膜制成的梳齒狀電極。
[0010]進一步，所述探針具有一針尖，所述針尖的高度為在I微米毫米，所述針尖的曲率半徑為10納米?100微米。
[0011]一種上述的探針型壓力傳感器的制造方法，包括如下步驟:提供一壓電襯底；在所述壓電襯底表面沿聲表面波傳播方向制作聲表面波發(fā)生器及聲表面波接收器；在制作有聲表面波發(fā)生器及聲表面波接收器的壓電襯底上制作探針，所述探針位于聲表面波發(fā)生器與聲表面波接收器之間。
[0012]進一步，采用光刻、鍍膜微加工方法制作聲表面波發(fā)生器及聲表面波接收器。
[0013]進一步，采用光刻工藝和化學(xué)沉積或物理沉積的方法制作探針。
[0014]一種上述的探針型壓力傳感器的制造方法，包括如下步驟:提供一壓電襯底；在所述壓電襯底表面制作探針；在制作有探針的壓電襯底表面制作聲表面波發(fā)生器及聲表面波接收器，所述聲表面波發(fā)生器與所述聲表面波接收器沿聲表面波傳播方向相對設(shè)置，所述探針位于聲表面波發(fā)生器與聲表面波接收器之間。
[0015]進一步，采用干法刻蝕或濕法腐蝕方法制作探針。
[0016]進一步，采用非接觸式光刻工藝及剝離和腐蝕的方法制作聲表面波發(fā)生器與所述聲表面波接收器。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點在于:探針的尖端曲率半徑可以達到很小的尺寸，由于是通過探針的尖端接受力的作用，因此使用微納米尺寸的尖端可以實現(xiàn)具有微納米空間分辨率的力的傳感。同時，本發(fā)明中突起的探針是唯一的受力點，而傳統(tǒng)的聲表面波壓力傳感器是整個表面受力，點受力相對于面受力可以使傳感器獲得更高的靈敏度和精確度。
【附圖說明】
[0018]圖1所示為本發(fā)明探針型壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2所示為本發(fā)明探針型壓力傳感器的一制作方法的步驟流程圖；
圖3所示為本發(fā)明探針型壓力傳感器的另一制作方法的步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的探針型壓力傳感器及其制作方法的【具體實施方式】做詳細(xì)說明。
[0020]圖1所示為本發(fā)明探針型壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖1，本發(fā)明一種探針型壓力傳感器10包括聲表面波延遲線及探針11。
[0021]所述聲表面波延遲線包括壓電襯底12和制作在壓電襯底12上的聲表面波發(fā)生器13及聲表面波接收器14。在本【具體實施方式】中，所述聲表面波發(fā)生器13及聲表面波接收器14均為叉指換能器。所述聲表面波發(fā)生器13與所述聲表面波接收器14沿聲表面波傳播方向相對設(shè)置。所述聲表面波發(fā)生器13在壓電襯底12表面上形成形狀像兩只手的手指交叉狀的金屬圖案，即梳齒狀，所述聲表面波接收器14在壓電襯底12表面上形成形狀像兩只手的手指交叉狀的金屬圖案，即梳齒狀。所述聲表面波發(fā)生器13通過逆壓電效應(yīng)將輸入的電信號轉(zhuǎn)變成聲信號，所述聲信號沿壓電襯底12表面?zhèn)鞑?，最終由聲表面波接收器14將聲信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出。
[0022]在本【具體實施方式】中，所述壓電襯底12的材料選自于鈮酸鋰、石英晶體、II1-V族化合物、I1-VI族化合物中的一種或幾種。所述聲表面波發(fā)生器13及聲表面波接收器14是導(dǎo)電薄膜制成的梳齒狀電極，所述導(dǎo)電薄膜的材料可以是金屬、石墨、導(dǎo)電有機材料中的一種或幾種組合。
[0023]所述探針11制作在壓電襯底12上并設(shè)置在聲表面波發(fā)生器13與聲表面波接收器14之間。在探針11受到微納米尺度上局域的微小的力的作用的情況下，聲表面波延遲線的相位或頻率發(fā)生變化，該變化可以被系統(tǒng)電