一种双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于微电子机械系统（MEMS）技术领域，涉及一种双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器及其制作方法。
背景技术
机器人感知能力的技术研究中，触觉类传感器极其重要，已成为目前的研究热点之一。作为机器人触觉传感器的重要类型，光传感式触觉传感器具有分辨率高、响应速度快等优点。然而，目前已有的光传感式触觉传感器的光源和探测器大多采用分立元件组装的形式，器件尺寸较大且难以实现大规模批量化制备，严重制约了光传感式触觉传感器的实际应用，尤其是不利于机器人的小型化。因而借助MEMS技术和材料技术，实现光传感式触觉传感器的小型化与集成化设计与制备具有重要意义。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器及其制作方法，用于解决现有技术中触觉传感器尺寸较大且难以实现大规模批量化制备的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器，包括：
衬底，所述衬底中设有上下贯穿所述衬底的空腔；
发光二极管，位于所述衬底上，所述发光二极管包括发光区域，所述发光区域悬设于所述空腔上方；
光电检测二极管，位于所述衬底上，所述光电检测二极管包括光电转换区域，所述光电转换区域悬设于所述空腔上方；
第一悬臂梁波导，悬设于所述空腔上方，所述第一悬臂梁波导的固定端与所述发光二极管连接，所述第一悬臂梁波导的自由端往所述光电检测二极管方向延伸；
第二悬臂梁波导，悬设于所述空腔上方，所述第二悬臂梁波导的固定端与所述光电检测二极管连接，所述第二悬臂梁波导的自由端往所述发光二极管方向延伸，并与所述第一悬臂梁波导的自由端间隔预设距离。
可选地，所述发光二极管自下而上依次包括第一缓冲层、第一N型GaN层、第一多量子阱层及第一P型GaN层，其中，所述第一多量子阱层所在区域作为所述发光区域，所述第一P型GaN层上设有第一电极，所述第一N型GaN层上设有第二电极，所述第二电极与所述发光区域间隔预设距离；所述光电检测二极管自下而上依次包括第二缓冲层、第二N型GaN层、第二多量子阱层及第二P型GaN层，其中，所述第二多量子阱层所在区域作为所述光电转换区域，所述第二P型GaN层上设有第三电极，所述第二N型GaN层上设有第四电极，所述第四电极与所述光电转换区域间隔预设距离；所述第一悬臂梁波导自下而上依次包括第三缓冲层及第三N型GaN层；所述第二悬臂梁波导自下而上依次包括第四缓冲层及第四N型GaN层。
可选地，所述第一缓冲层、所述第二缓冲层、所述第三缓冲层及第四缓冲层一体化，所述第一N型GaN层、所述第二N型GaN层、所述第三N型GaN层及所述第四N型GaN层一体化。
可选地，所述第二电极环绕分布于所述第一多量子阱层的周围，并避开所述空腔所在区域；所述第四电极环绕分布于所述第二多量子阱层的周围，并避开所述空腔所在区域。
可选地，所述第一多量子阱层及所述第一P型GaN层的横截面呈矩形或圆形，所述第二多量子阱层及所述第二P型GaN层呈矩形或圆形。
可选地，所述MEMS触觉传感器还包括绝缘保护层，所述绝缘保护层覆盖于所述发光二极管、所述光电检测二极管、所述第一悬臂梁波导及所述第二悬臂梁波导的上表面。
可选地，所述绝缘保护层的材质包括SiO2、Si3N4及聚酰亚胺中的至少一种。
可选地，所述第一多量子阱层与所述第二多量子阱层包括InGaN/GaN叠层，所述第一电极与所述第三电极的材料包括Ni/Au叠层、Pt/Au叠层、Ni/Pt/Au叠层及Au/Mg/Au叠层中的任意一种，所述第二电极与所述第四电极的材料包括Ti/Al叠层、Ti/Al/Ti/Au叠层及Ti/Al/Ni/Au叠层中的任意一种。
可选地，所述双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器左右对称，对称轴垂直于所述第一悬臂梁的延伸方向，并位于所述第一悬臂梁与所述第二悬臂梁的中间。
本发明还提供一种双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器的制作方法，包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底上表面自下而上依次设有缓冲层、N型GaN材料层、多量子阱材料层及P型GaN材料层；
图形化所述P型GaN材料层及所述多量子阱材料层，得到分立设置的第一多量子阱层与第二多量子阱层，以及分立设置的第一P型GaN层与第二P型GaN层，所述第一P型GaN层位于所述第一多量子阱层上方，所述第二P型GaN层位于所述第二多量子阱层上方；
形成上下贯穿所述N型GaN材料层及所述缓冲层的H型隔离槽，以在所述N型GaN材料层及所述缓冲层中隔离出第一悬臂梁波导及第二悬臂梁波导，所述第一悬臂梁波导与所述第二悬臂梁波导位于所述第一多量子阱层与所述第二多量子阱层之间；
形成第二电极于所述第一N型GaN层上，并形成第四电极于所述第二N型GaN层上；
形成第一电极于所述第一P型GaN层上，并形成第三电极于所述第二P型GaN层上；
形成上下贯穿所述衬底的空腔以释放所述第一悬臂梁波导及所述第二悬臂梁波导，所述空腔水平延伸至所述第一多量子阱层及所述第二多量子阱层下方；
其中：
所述第一P型GaN层、所述第一多量子阱层、所述第一电极及所述第二电极构成一发光二极管的组成部分，所述第二P型GaN层、所述第二多量子阱层、所述第三电极及所述第四电极构成一光电检测二极管的组成部分，所述第一悬臂梁波导的固定端与所述发光二极管连接，所述第一悬臂梁波导的自由端往所述光电检测二极管方向延伸，所述第二悬臂梁波导的固定端与所述光电检测二极管连接，所述第二悬臂梁波导的自由端往所述发光二极管方向延伸，并与所述第一悬臂梁波导的自由端间隔预设距离。
可选地，所述第二电极环绕分布于所述第一多量子阱层的周围，并避开所述空腔所在区域；所述第四电极环绕分布于所述第二多量子阱层的周围，并避开所述空腔所在区域。
可选地，所述第一多量子阱层及所述第一P型GaN层的横截面呈矩形或圆形，所述第二多量子阱层及所述第二P型GaN层呈矩形或圆形。
可选地，还包括形成绝缘保护层的步骤，所述绝缘保护层覆盖于所述发光二极管、所述光电检测二极管、所述第一悬臂梁波导及所述第二悬臂梁波导的上表面。
可选地，所述绝缘保护层的材质包括SiO2、Si3N4及聚酰亚胺中的至少一种。
可选地，所述第一多量子阱层与所述第二多量子阱层包括InGaN/GaN叠层，所述第一电极与所述第三电极的材料包括Ni/Au叠层、Pt/Au叠层、Ni/Pt/Au叠层及Au/Mg/Au叠层中的任意一种，所述第二电极与所述第四电极的材料包括Ti/Al叠层、Ti/Al/Ti/Au叠层及Ti/Al/Ni/Au叠层中的任意一种。
可选地，所述双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器左右对称，对称轴垂直于所述第一悬臂梁的延伸方向，并位于所述第一悬臂梁与所述第二悬臂梁的中间。
如上所述，本发明的双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器及其制作方法基于力-位移-光-电式检测原理，具有灵敏度高、响应速度快和抗电磁干扰能力强的优势。所述MEMS触觉传感器的所有部件均位于同一块芯片上，器件结构紧凑、体积小，构成传感阵列后具有较高分辨率。并且该触觉传感器可利用成熟的MEMS工艺线进行批量化加工，有利于降低生产成本。
附图说明
图1显示为本发明的双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器的俯视图。
图2显示为本发明的双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器的仰视图。
图3显示为图1的A-A’向剖面图。
图4显示为图1的B-B’向剖面图。
图5显示为图1的C-C’向剖面图。
图6显示为本发明的MEMS触觉传感器还包括绝缘保护层的示意图。
图7显示为衬底上表面自下而上依次设有缓冲层、N型GaN材料层、多量子阱材料层及P型GaN材料层的示意图。
图8显示为图形化所述P型GaN材料层及所述多量子阱材料层的示意图。
图9显示为形成上下贯穿所述N型GaN材料层及所述缓冲层的H型隔离槽的示意图。
图10显示为形成第二电极于所述第一N型GaN层上，并形成第四电极于所述第二N型GaN层上的示意图。
图11显示为形成第一电极于所述第一P型GaN层上，并形成第三电极于所述第二P型GaN层上的示意图。
图12显示为形成上下贯穿所述衬底的空腔以释放所述悬臂梁波导的示意图。
元件标号说明：1 衬底，2 发光二极管，201 第一缓冲层，202 第一N型GaN层，203第一多量子阱层，204 第一P型GaN层，205 第一电极，206 第二电极，3 光电检测二极管，301 第二缓冲层，302 第二N型GaN层，303 第二多量子阱层，304 第二P型GaN层，305 第三电极，306 第四电极，4 第一悬臂梁波导，401 第三缓冲层，402 第三N型GaN层，5 第二悬臂梁波导，501 第四缓冲层，502 第四N型GaN层，6 空腔，7 绝缘保护层，8 缓冲层，9 N型GaN材料层，10 多量子阱材料层，11 P型GaN材料层，12 H型隔离槽。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本实施例中提供一种双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器，请参阅图1至图5，其中，图1及图2分别显示为所述MEMS触觉传感器的俯视图及仰视图，图3、图4及图5分别显示为图1的A-A’向剖面图、B-B’向剖面图及C-C’向剖面图，由图可见，所述MEMS触觉传感器包括衬底1、发光二极管2、光电检测二极管3、第一悬臂梁波导4及第二悬臂梁波导5，所述第一悬臂梁波导4与所述第二悬臂梁波导5的中轴线可以共线，其中，所述发光二极管2发出的部分光线通过所述第一悬臂梁波导4进行传输，并通过两个悬臂梁波导之间的空气或者介质耦合到所述第二悬臂梁波导5，最后传输到所述光电检测二极管3转换为输出电信号，外加触觉力会改变两个悬臂梁波导之间的光传输耦合比，根据所述光电检测二极管3的输出电流变化可获得触觉力信息。
具体的，所述衬底1中设有上下贯穿所述衬底1的空腔6；所述发光二极管2位于所述衬底1上并包括发光区域，所述发光区域悬设于所述空腔6上方；所述光电检测二极管3位于所述衬底1上并包括光电转换区域，所述光电转换区域悬设于所述空腔6上方；所述第一悬臂梁波导4悬设于所述空腔6上方，其固定端与所述发光二极管2连接，自由端往所述光电检测二极管3方向延伸；所述第二悬臂梁波导5悬设于所述空腔6上方，其固定端与所述光电检测二极管3连接，自由端往所述发光二极管2方向延伸，并与所述第一悬臂梁波导4的自由端间隔预设距离。
作为示例，所述发光二极管2自下而上依次包括第一缓冲层201、第一N型GaN层202、第一多量子阱层203及第一P型GaN层204，其中，所述第一多量子阱层203所在区域作为所述发光区域，所述第一P型GaN层204上设有第一电极205，所述第一N型GaN层202上设有第二电极206，所述第二电极206与所述发光区域间隔预设距离；所述光电检测二极管3自下而上依次包括第二缓冲层301、第二N型GaN层302、第二多量子阱层303及第二P型GaN层304，其中，所述第二多量子阱层303所在区域作为所述光电转换区域，所述第二P型GaN层304上设有第三电极305，所述第二N型GaN层302上设有第四电极306，所述第四电极306与所述光电转换区域间隔预设距离；所述第一悬臂梁波导4自下而上依次包括第三缓冲层401及第三N型GaN层402；所述第二悬臂梁波导5自下而上依次包括第四缓冲层501及第四N型GaN层502。
作为示例，所述第一缓冲层201、所述第二缓冲层301、所述第三缓冲层401及第四缓冲层501一体化，所述第一N型GaN层202、所述第二N型GaN层302、所述第三N型GaN层402及所述第四N型GaN层502一体化。也就是说，所述第一缓冲层201、所述第二缓冲层301、所述第三缓冲层401及所述第四缓冲层501可由同一材料层图形化而来，所述第一N型GaN层202、所述第二N型GaN层302、所述第三N型GaN层402及所述第四GaN层可由同一材料层图形化而来。
作为示例，所述第二电极206环绕分布于所述第一多量子阱层203的周围，并避开所述空腔6所在区域；所述第四电极306环绕分布于所述第二多量子阱层303的周围，并避开所述空腔6所在区域，其中，电极避开空腔6的区域呈现一电极缺口，使得电极呈非封闭状态。采用环绕的电极设计有助于提高所述发光二极管2的发光均匀性及所述光电检测二极管3的光电转化率。
作为示例，所述第一多量子阱层203及所述第一P型GaN层204的横截面可呈矩形、圆形或其他改进的形状，所述第二电极206的轮廓及环绕方式可相应进行调整；同样，所述第二多量子阱层303及所述第二P型GaN层304可呈矩形、圆形或其他改进的形状，所述第四电极306的轮廓及环绕方式可相应进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例，请参阅图6，所述MEMS触觉传感器还包括绝缘保护层7，所述绝缘保护层7覆盖于所述发光二极管2、所述光电检测二极管3、所述第一悬臂梁波导4及所述第二悬臂梁波导5的上表面。所述绝缘保护层7的材质可包括SiO2或Si3N4，也可以包含聚酰亚胺等柔性绝缘材料，所述绝缘保护层7用于保护器件结构，并实现接触区域的电学隔离。
作为示例，所述衬底1可采用硅衬底，所述第一多量子阱层203与所述第二多量子阱层303包括InGaN/GaN叠层，所述第一电极205与所述第三电极305的材料包括Ni/Au叠层、Pt/Au叠层、Ni/Pt/Au叠层及Au/Mg/Au叠层中的任意一种，所述第二电极206与所述第四电极306的材料包括Ti/Al叠层、Ti/Al/Ti/Au叠层及Ti/Al/Ni/Au叠层中的任意一种。
作为示例，所述双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器左右对称，对称轴垂直于所述第一悬臂梁的延伸方向，并位于所述第一悬臂梁与所述第二悬臂梁的中间。也就是说，MEMS触觉传感器左右两边各包括一个InGaN/GaN多量子阱光电二极管与悬臂梁波导，两个InGaN/GaN多量子阱光电二极管分别置于器件的左右两侧，因发射谱和吸收谱存在重叠区域，InGaN/GaN多量子阱光电二极管即可作为发光二极管又可作为光电检测二极管3，具有发光和探测两种功能。两个悬臂梁波导位于两个InGaN/GaN多量子阱光电二极管之间，自由悬置端靠近器件的中央，作为受力敏感部位。
作为示例，本实施例基于悬臂梁和多量子阱光电二极管的MEMS触觉传感器的具体工作原理如下：器件处于检测状态时，其中一个InGaN/GaN多量子阱光电二极管作为发光二极管2，加载一定的正向偏置电压，另一个InGaN/GaN多量子阱光电二极管作为光电检测二极管3，加载一定的反向偏置电压；发光二极管2发出的部分光线经过直接相连的第一悬臂梁波导4向外传输，到达自由悬置端时通过空气或者介质耦合到第二悬臂梁波导5，最终由第二悬臂梁波导5传输到光电检测二极管3，在反向电压作用下转化为输出电信号输出；当接触力施加到传感器（两个悬臂梁波导）上时，两个悬臂梁会产生一定程度的弯曲，影响光线从一个悬臂梁波导传输到另一个悬臂梁波导的耦合量（改变光线在两个悬臂梁波导之间的耦合比），光电检测二极管3的输出电流与耦合量大小呈正相关，通过输出电信号的变化量（输出电流变化）可以反推出接触力的信息。
本实施例的双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器基于力-位移-光-电式检测原理，具有灵敏度高、响应速度快和抗电磁干扰能力强的优势。所述MEMS触觉传感器的发光二极管2、第一悬臂梁波导4、第二悬臂梁波导5和光电检测二极管3均位于同一块衬底1上，器件结构紧凑、体积小，构成传感阵列后具有较高分辨率。
实施例二
本实施例中提供一种双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器的制作方法，包括以下步骤：
如图7所示，提供一衬底1，所述衬底1上表面自下而上依次设有缓冲层8、N型GaN材料层9、多量子阱材料层10及P型GaN材料层11。
作为示例，所述衬底1包括但不限于Si衬底1，所述多量子阱材料层10包括InGaN/GaN叠层。
如图8所示，图形化所述P型GaN材料层11及所述多量子阱材料层10，得到分立设置的第一多量子阱层203与第二多量子阱层303，以及分立设置的第一P型GaN层204与第二P型GaN层304，所述第一P型GaN层204位于所述第一多量子阱层203上方，所述第二P型GaN层304位于所述第二多量子阱层303上方。
作为示例，图形化所述P型GaN材料层11及所述多量子阱材料层10包括如下工艺流程：涂覆一层光刻胶并光刻，暴露出需要刻蚀的P型GaN材料层11，接着进行电感耦合等离子体干法刻蚀，刻蚀到所述N型GaN材料层9停止，形成InGaN/GaN多量子阱光电二极管的有源区图形。
如图9所示，形成上下贯穿所述N型GaN材料层9及所述缓冲层8的H型隔离槽12，以在所述N型GaN材料层9及所述缓冲层8中隔离出第一悬臂梁波导4及第二悬臂梁波导5，所述第一悬臂梁波导4与所述第二悬臂梁波导5位于所述第一多量子阱层203与所述第二多量子阱层303之间，其中，所述第一悬臂梁波导4自下而上依次包括第三缓冲层401及第三N型GaN层402；所述第二悬臂梁波导5自下而上依次包括第四缓冲层501及第四N型GaN层502。
作为示例，形成所述H型隔离槽12包括如下工艺流程：涂覆一层光刻胶并光刻，暴露出H型隔离槽12区域，接着进行电感耦合等离子体干法刻蚀，刻蚀到所述衬底1。
如图10所示，形成第二电极206于所述第一N型GaN层202上，并形成第四电极306于所述第二N型GaN层302上。
作为示例，形成所述第二电极206与所述第四电极306包括以下工艺流程：涂覆一层光刻胶，光刻去除N型GaN接触电极处的光刻胶，沉积第一层金属，剥离形成N型GaN接触电极，及所述第二电极206与所述第四电极306。
如图11所示，形成第一电极205于所述第一P型GaN层204上，并形成第三电极305于所述第二P型GaN层304上。
作为示例，形成所述第一电极205与所述第三电极305包括以下工艺流程：涂覆一层光刻胶，光刻去除P型GaN接触电极处的光刻胶，沉积第二层金属，剥离形成P型GaN接触电极，及所述第一电极205与所述第三电极305。
需要指出的是，上述形成电极的步骤顺序可以调换，此处不应过分限制本发明的保护范围。
如图12所示，形成上下贯穿所述衬底1的空腔6以释放所述第一悬臂梁波导4及所述第二悬臂梁波导5，所述空腔6水平延伸至所述第一多量子阱层203及所述第二多量子阱层303下方。
作为示例，形成所述空腔6包括以下工艺流程：涂覆一层光刻胶，暴露出所述衬底1背面需要去除的区域，通过深的硅反应离子刻蚀（DRIE）去除二极管有源区和悬臂梁波导下方的硅，形成悬臂梁波导和二极管薄膜结构。
至此，制作得到一双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器，其中，所述第一P型GaN层204、所述第一多量子阱层203、所述第一电极205及所述第二电极206构成一发光二极管2的组成部分，所述第二P型GaN层304、所述第二多量子阱层303、所述第三电极305及所述第四电极306构成一光电检测二极管3的组成部分，所述第一悬臂梁波导4的固定端与所述发光二极管2连接，所述第一悬臂梁波导4的自由端往所述光电检测二极管3方向延伸，所述第二悬臂梁波导5的固定端与所述光电检测二极管3连接，所述第二悬臂梁波导5的自由端往所述发光二极管2方向延伸，并与所述第一悬臂梁波导4的自由端间隔预设距离。
作为示例，所述第二电极206环绕分布于所述第一多量子阱层203的周围，并避开所述空腔6所在区域；所述第四电极306环绕分布于所述第二多量子阱层303的周围，并避开所述空腔6所在区域，其中，电极避开空腔6的区域呈现一电极缺口，使得电极呈非封闭状态。采用环绕的电极设计有助于提高所述发光二极管2的发光均匀性及所述光电检测二极管3的光电转化率。
作为示例，所述第一多量子阱层203及所述第一P型GaN层204的横截面可呈矩形、圆形或其他改进的形状，所述第二电极206的轮廓及环绕方式可相应进行调整；同样，所述第二多量子阱层303及所述第二P型GaN层304可呈矩形、圆形或其他改进的形状，所述第四电极306的轮廓及环绕方式可相应进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例，请参见图6，进一步形成绝缘保护层7以覆盖于所述发光二极管2、所述光电检测二极管3、所述第一悬臂梁波导4及所述第二悬臂梁波导5的上表面。所述绝缘保护层7的材质可包括SiO2或Si3N4，也可以包含聚酰亚胺等柔性绝缘材料，所述绝缘保护层7用于保护器件结构，并实现接触区域的电学隔离。
作为示例，所述第一多量子阱层203与所述第二多量子阱层303包括InGaN/GaN叠层，所述第一电极205与所述第三电极305的材料包括Ni/Au叠层、Pt/Au叠层、Ni/Pt/Au叠层及Au/Mg/Au叠层中的任意一种，所述第二电极206与所述第四电极306的材料包括Ti/Al叠层、Ti/Al/Ti/Au叠层及Ti/Al/Ni/Au叠层中的任意一种。
作为示例，所述双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器左右对称，对称轴垂直于所述第一悬臂梁的延伸方向，并位于所述第一悬臂梁与所述第二悬臂梁的中间。
本实施例的MEMS触觉传感器的制作方法基于硅衬底氮化镓系LED外延片来制作MEMS触觉传感器，可利用成熟的MEMS工艺线进行加工，将发光二极管、悬臂梁波导和光电检测二极管制作于同一块衬底上，对批量化生产和降低生产成本具有重要意义。
综上所述，本发明的双悬臂梁波导耦合光电式MEMS触觉传感器及其制作方法基于力-位移-光-电式检测原理，具有灵敏度高、响应速度快和抗电磁干扰能力强的优势。所述MEMS触觉传感器的所有部件均位于同一块芯片上，器件结构紧凑、体积小，构成传感阵列后具有较高分辨率。并且该触觉传感器可利用成熟的MEMS工艺线进行批量化加工，有利于降低生产成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
