一种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MEMS触觉传感器及其制作方法。
背景技术
触觉是生物感知外界信息的重要方式，触觉传感技术是实现智能机器人的关键技术，近年来随着智能机器人在生物医药、食品加工以及微外科学等众多领域不断激增的应用需求，触觉传感器成为研究热点之一。各种类型的触觉传感器中，光电式触觉传感器具有分辨率和灵敏度高、响应速度快和抗电磁干扰能力强的优势。
如何提供一种新的触觉传感器，以进一步实现触觉传感器的小型化，并实现多功能集成化，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
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体积较大，多功能集成化程度低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种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，所述第一缓冲层及所述第一N型GaN层均有一部分水平延伸至所述空腔上方，所述第一多量子阱层及所述第一P型GaN层悬设于所述空腔上方，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第一多量子阱层间隔预设距离；
光电检测二极管，位于所述衬底上，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，所述第二缓冲层及所述第二N型GaN层均有一部分水平延伸至所述空腔上方，所述第二多量子阱层及所述第二P型GaN层悬设于所述空腔上方，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第二多量子阱层间隔预设距离；
悬臂梁波导，悬设于所述空腔上方，并位于所述发光二极管及所述光电检测二极管之间，所述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，所述悬臂梁波导朝向所述发光二极管的一端与所述发光二极管间隔预设距离，所述悬臂梁波导朝向所述光电检测二极管的一端与所述光电检测二极管连接。
可选地，所述第一缓冲层、所述第二缓冲层及所述第三缓冲层一体化，所述第一N型GaN层、所述第二N型GaN层及所述第三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，且环绕的角度范围大于180°，但未延伸至所述第一多量子阱层与所述悬臂梁波导之间；所述第四电极环绕分布于所述第二多量子阱层的周围，且环绕的角度范围大于180°，但未延伸至所述第二多量子阱层与所述悬臂梁波导之间。
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及所述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。
本发明还提供一种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U型隔离槽，以在所述N型GaN材料层及所述缓冲层中隔离出悬臂梁波导，所述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；
形成上下贯穿所述衬底的空腔以释放所述悬臂梁波导，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，所述悬臂梁波导朝向所述发光二极管的一端与所述发光二极管间隔预设距离，所述悬臂梁波导朝向所述光电检测二极管的一端与所述光电检测二极管连接。
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，且环绕的角度范围大于180°，但未延伸至所述第一多量子阱层与所述悬臂梁波导之间；所述第四电极环绕分布于所述第二多量子阱层的周围，且环绕的角度范围大于180°，但未延伸至所述第二多量子阱层与所述悬臂梁波导之间。
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及所述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，所述多量子阱材料层包括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。
如上所述，本发明的MEMS触觉传感器采用新颖的力-位移-光-电式检测原理，具有分辨率和灵敏度高、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、悬臂梁波导和光电检测二极管均位于同一块衬底上，使得器件结构紧凑、体积小。所述MEMS触觉传感器含有发光二极管和光电检测二极管部件，除了触觉传感的用途，发光二极管可用来实现照明显示，光电检测二极管可用来实现成像和探测，因而具有多功能集成化的潜力。本发明的触觉传感器可利用成熟的MEMS工艺线进行加工，对批量化生产和降低生产成本具有重要意义。
附图说明
图1显示为本发明的MEMS触觉传感器的俯视图。
图2显示为本发明的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触觉传感器的原理框图。
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U型隔离槽的示意图。
图10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11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 悬臂梁波导
401 第三缓冲层
402 第三N型GaN层
5 空腔
6 缓冲层
7 N型GaN材料层
8 多量子阱材料层
9 P型GaN材料层
10U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及悬臂梁波导4，其中，悬臂梁波导4位于发光二极管2和光电检测二极管3中间，用于将发光二极管2发出的光线耦合到光电检测二极管3中进行检测，外加触觉力会改变悬臂梁波导4的耦合比，通过光电检测二极管3的输出电流可获得触觉力信息。
具体的，所述衬底1中设有上下贯穿所述衬底1的空腔5；所述发光二极管2位于所述衬底1上，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，所述第一缓冲层201及所述第一N型GaN层202均有一部分水平延伸至所述空腔5上方，所述第一多量子阱层203及所述第一P型GaN层204悬设于所述空腔5上方，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与所述第一多量子阱层203间隔预设距离；所述光电检测二极管3位于所述衬底1上，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，所述第二缓冲层301及所述第二N型GaN层302均有一部分水平延伸至所述空腔5上方，所述第二多量子阱层303及所述第二P型GaN层304悬设于所述空腔5上方，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与所述第二多量子阱层303间隔预设距离；所述悬臂梁波导4悬设于所述空腔5上方，并位于所述发光二极管2及所述光电检测二极管3之间，所述悬臂梁波导4自下而上依次包括第三缓冲层401及第三N型GaN层402，所述悬臂梁波导4朝向所述发光二极管2的一端与所述发光二极管2间隔预设距离，所述悬臂梁波导4朝向所述光电检测二极管3的一端与所述光电检测二极管3连接。
作为示例，所述第一缓冲层201、所述第二缓冲层301及所述第三缓冲层401一体化，所述第一N型GaN层202、所述第二N型GaN层302及所述第三N型GaN层402一体化，也就是说，所述第一缓冲层201、所述第二缓冲层301及所述第三缓冲层401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及所述第三N型GaN层402所述第一N型GaN层202、所述第二N型GaN层302及所述第三N型GaN层402。
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，且环绕的角度范围大于180°，但未延伸至所述第一多量子阱层203与所述悬臂梁波导4之间；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，且环绕的角度范围大于180°，但未延伸至所述第二多量子阱层303与所述悬臂梁波导4之间。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。
需要指出的是，上述环绕的角度是指以相应多量子阱层的中心为圆心，以相应环绕的电极的首末两端为起始点与终止点，以电极自身为旋转路径所划过的扇形的角度。
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，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2、所述光电检测二极管3及所述悬臂梁波导4的上表面。所述绝缘保护层的材质可包括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1，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。
请参阅图6，显示为所述MEMS触觉传感器的原理框图，其中，所述MEMS触觉传感器的主要结构包括发光二极管2、悬臂梁波导4和光电检测二极管3，发光二极管2与光电检测二极管3均采用多量子阱光电二极管结构，悬臂梁波导4位于发光二极管2和光电检测二极管3中间，用于将发光二极管2发出的光线耦合到光电检测二极管3中进行检测，悬臂梁波导4材料为N型GaN材料和缓冲层材料，悬臂梁波导4靠近发光二极管2一侧为悬置端，靠近光电检测二极管3一侧为固定端，与光电检测二极管3一侧的薄膜结构直接相连。在接触力检测过程中，发光二极管2发出的光线通过悬臂梁波导4耦合到光电检测二极管3，光电检测二极管3的输出电流与悬臂梁波导4耦合比有关，当在悬臂梁波导4上施加接触力时，会造成悬臂梁波导4的弯曲，进而改变了悬臂梁波导4的耦合比，通过检测光电二极管的输出电流的变化可以获知接触力的信息。
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：工作状态时，发光二极管2加正向偏置电压，光电检测二极管3加反向偏置电压，发光二极管2发出的光线经过空气与悬臂梁波导4传递到光电检测二极管3，在光电检测二极管3有源区的反向电场作用下转化为电信号输出；当接触力施加到传感器上，会造成悬臂梁弯曲量的改变，进而影响了悬臂梁波导4的耦合比，使得输入到光电检测二极管3的光强发生改变，通过电信号输出的变化量可以反推出接触力的信息。
本实施例的MEMS触觉传感器采用新颖的力-位移-光-电式检测原理，具有分辨率和灵敏度高、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、悬臂梁波导4和光电检测二极管3均位于同一块衬底1上，使得器件结构紧凑、体积小。所述MEMS触觉传感器含有发光二极管2和光电检测二极管3部件，除了触觉传感的用途，发光二极管2可用来实现照明显示，光电检测二极管3可用来实现成像和探测，因而具有多功能集成化的潜力。
实施例二
本实施例中提供一种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6、N型GaN材料层7、多量子阱材料层8及P型GaN材料层9。
作为示例，所述衬底1包括但不限于Si衬底，所述多量子阱材料层8包括InGaN/GaN叠层。
如图8所示，图形化所述P型GaN材料层9及所述多量子阱材料层8，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9及所述多量子阱材料层8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9，接着进行感应耦合等离子(ICP)干法刻蚀，刻蚀到所述N型GaN材料层7停止。
如图9所示，形成上下贯穿所述N型GaN材料层7及所述缓冲层6的U型隔离槽10(可结合图1所示的俯视图)，以在所述N型GaN材料层7及所述缓冲层6中隔离出悬臂梁波导4，所述悬臂梁波导4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。
作为示例，形成所述U型隔离槽10包括如下工艺流程：涂覆一层光刻胶并光刻，暴露出U型隔离槽区域，接着进行ICP干法刻蚀，刻蚀到所述衬底1。
如图10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，光刻去除部分光刻胶，采用电子束蒸发或磁控溅射等方法沉积第一层金属，去除光刻胶以及光刻胶上的金属层，剥离形成所述发光二极管2的所述第一电极205和所述光电检测二极管3的所述第三电极305。
如图11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，光刻去除部分光刻胶，采用电子束蒸发或磁控溅射等方法沉积第二层金属，去除光刻胶以及光刻胶上的金属层，剥离形成所述发光二极管2的所述第二电极206和所述光电检测二极管3的所述第四电极306。
如图12所示，形成上下贯穿所述衬底1的空腔5以释放所述悬臂梁波导4，所述空腔5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5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4下方的硅，形成悬臂梁波导4和二极管薄膜结构。
至此，制作得到一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，所述悬臂梁波导朝向所述发光二极管2的一端与所述发光二极管2间隔预设距离，所述悬臂梁波导朝向所述光电检测二极管3的一端与所述光电检测二极管3连接。
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，且环绕的角度范围大于180°，但未延伸至所述第一多量子阱层203与所述悬臂梁波导之间；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，且环绕的角度范围大于180°，但未延伸至所述第二多量子阱层303与所述悬臂梁波导之间。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，进一步形成绝缘保护层(未图示)以覆盖于所述发光二极管2、所述光电检测二极管3及所述悬臂梁波导的上表面。所述绝缘保护层的材质可包括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。
本实施例的MEMS触觉传感器的制作方法基于硅衬底1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2、悬臂梁波导和光电检测二极管3制作于同一块衬底1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MEMS触觉传感器采用新颖的力-位移-光-电式检测原理，具有分辨率和灵敏度高、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、悬臂梁波导和光电检测二极管均位于同一块衬底上，使得器件结构紧凑、体积小。所述MEMS触觉传感器含有发光二极管和光电检测二极管部件，除了触觉传感的用途，发光二极管可用来实现照明显示，光电检测二极管可用来实现成像和探测，因而具有多功能集成化的潜力。本发明的触觉传感器可利用成熟的MEMS工艺线进行加工，对批量化生产和降低生产成本具有重要意义。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。
