[发明专利]一种基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法

摘要

本发明公开了一种基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法。MEMS摩阻传感器分解为浮动元件、硅微结构、电极基板、接口电路和封装管壳5个部分，硅微结构和电极基板采用MEMS加工工艺制作，浮动元件采用和装管壳采用精密机械加工技术制作，接口电路采用陶瓷基精密微带电路技术制作。MEMS摩阻传感器采用专门的微组装设备和微组装工艺，微组装设备由精密视觉定位系统、三自由度微操作对准平台、真空吸头和图像辨识系统构成；利用视觉精密定位和微操作对准技术完成MEMS摩阻传感器的组装。本发明的基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法，提高了MEMS摩阻传感器加工、组装精度，进而提高了其在高超声速风洞内表面摩擦阻力测量的精准度。

主权项

1.一种基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法，其特征在于：所述的MEMS摩阻传感器包括表头结构、接口电路（5）和封装管壳，表头结构包括浮动元件（2）、硅微结构（3）和电极基板（4），是MEMS摩阻传感器的主要构件，用来感应飞行器模型表面的摩擦阻力；所述的浮动元件（2）由测头（9）、支杆（10）和定位台阶（11）构成，测头（9）与模型表面平齐以感应表面摩擦阻力，支杆（10）将摩擦阻力转化为摩阻力矩并传递给由硅微结构（3）和电极基板（4）构成的敏感电容元件（18），定位台阶（11）用于确定浮动元件（2）与硅微结构（3）的相对位置；所述的硅微结构（3）由弹性梁（13）、振动极板（14）和支撑框体（12）构成；弹性梁（13）是扭转刚度较小、法向刚度相对较大的两端固支梁，在感应摩擦阻力时主要产生扭转变形，支撑框体（12）通过弹性梁（13）支撑振动极板（14）和浮动元件（2）；所述的电极基板（4）包括引线电极（15）、玻璃凸台（16）和金电极（17），金电极（17）与硅微结构（3）的振动极板（14）共同构成敏感电容元件（18）；玻璃凸台（16）用来与硅微结构（3）的支撑框体（12）阳极键合，同时构成敏感电容元件（18）的电容间隙；所述的接口电路（5）由电路基板、焊盘（7）和若干电子元件构成，焊盘（7）用来与电极基板（4）的引线电极（15）引线连接；所述的封装管壳由封装盖板（1）和封装管座（6）构成，封装管座（6）包含封装定位凸台（8），封装盖板（1）上表面配置圆孔与浮动元件（2）的测头（9）同轴、平齐，保证测头（9）能够精确感受表面摩擦阻力；所述的MEMS摩阻传感器制作方法为各部件分别加工，集成组装，具体包含如下步骤：a.硅微结构（3）的制作选用<100>晶向、双面抛光的单晶硅圆片作为硅微结构（3）的制作基体，采用光刻胶和光刻技术去除单晶硅圆片表面的SiO₂牺牲层，利用单晶硅的深反应离子刻蚀（DRIE）技术得到硅微结构（3）；b.电极基板（4）的制作b1.选用厚度500微米、双面抛光的Pyrex玻璃圆片作为电极基板（4）的制作基体，在玻璃基体上腐蚀出10微米的凹槽；b2.在玻璃圆片表面溅射沉积金牺牲层（23），通过光刻和金属沉积技术在凹槽平面内制作与振动极板（14）形状一致的金电极（17）和引线电极（15）；c.“硅‑玻璃”微结构的阳极键合、划片通过阳极键合技术实现硅微结构（3）和电极基板（4）刚性连接，利用紫外激光划片技术将“硅‑玻璃”微结构分离开；d.封装盖板（1）、封装管座（6）和浮动元件（2）的制作选用硬铝材料作为制作材料，采用精密仪表车床加工浮动元件（2）；采用精密机械加工工艺加工封装盖板（1）和封装管座（6）；e.接口电路（5）的制作选用陶瓷作为制作材料，采用精密微带电路技术制作接口电路（5）的陶瓷基板；采用精密表贴技术焊接电子元件，完成接口电路（5）的制作；f.MEMS摩阻传感器的组装f1.采用定位台阶（11）定位实现浮动元件（2）与硅微结构（3）的对准，通过环氧树脂粘贴固定，构成MEMS摩阻传感器的表头结构；f2.将接口电路（5）固定在三自由度微操作对准平台上，真空吸头夹持表头结构，利用视觉精密定位和微操作对准技术将表头结构与接口电路（5）对准，采用环氧树脂将表头结构固定在接口电路（5）上；f3.将封装管座（6）固定在三自由度微操作对准平台上，将封装盖板（1）安装在封装管座（6）上，采用视觉精密定位系统给封装盖板（1）拍照，辨识出与测头（9）同轴的封装盖板（1）表面圆孔的位置；f4.取下封装盖板（1），真空吸头夹持接口电路（5）和表头结构，利用视觉精密定位系统和微操作对准平台实现表头结构的测头（9）与封装盖板（1）表面的圆孔对准；f5.利用点焊技术实现表头结构的引线电极（15）与接口电路焊盘（7）之间的引线；f6.利用封装管座（6）上的封装定位凸台（8）安装并固定封装盖板（1），完成MEMS摩阻传感器的组装。