CN101064197A

CN101064197A - 一种低温度交叉灵敏度的微悬臂梁谐振器

Info

Publication number: CN101064197A
Application number: CN 200610050514
Authority: CN
Inventors: 韩建强; 李青; 李昕欣; 王跃林; 韩安太; 孙延伟
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; China Jiliang University
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; China Jiliang University
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: CN100570755C

Abstract

本发明公开了一种具有较低谐振频率温度系数的微悬臂梁谐振器。该谐振器采用二氧化硅/硅或二氧化硅/氮化硅双层结构实现悬臂梁谐振频率的温度自补偿。通过理论计算和实验验证表明硅/二氧化硅双层悬臂梁谐振器的硅和二氧化硅薄膜最优厚度之比是1.1～1.7，二氧化硅/氮化硅双层悬臂梁谐振器的二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的最优厚度之比是0.9～1.2，其中的二氧化硅由热氧化法生长，氮化硅由低压气相淀积法(LPCVD)制作。本发明所公开的低温度交叉灵敏度的微悬臂梁谐振器具有温度补偿方法简便易行，结构简单，成本低廉、不需要引入额外的温度传感器、参比悬臂梁和补偿电路等优点。

Description

一种低温度交叉灵敏度的微悬臂梁谐振器

技术领域

本发明涉及一种低温度交叉灵敏度的微悬臂梁谐振器，特别是一种利用不同半导体材料杨氏模量和密度的温度系数的差异来实现谐振频率的温度自补偿的悬臂梁谐振器，属于微电子机械系统领域。

背景技术

传感器是测试仪表及检测系统的基础，传统的传感器通过改变电阻、电容或电感等电学量来测量压力、温度、位移等非电量，并以电压和电流信号输出。在传感器和控制电路之间需要增加A/D转换器，这不仅降低了系统的可靠性、响应速度和测量精度，而且增加了成本。谐振式传感器的输出量是频率信号，精度及分辨率高，长期稳定性好，可通过简单的数字电路实现与计算机的接口，从而省去结构复杂、价格昂贵的A/D转换装置。发展谐振式传感器，适应以微处理器为中心的数字控制系统是传感器发展的重要方向之一。但是，现已实用的谐振式传感器(如谐振筒、谐振梁、谐振膜、谐振弯管)结构尺寸较大，构造复杂，价格昂贵，谐振频率和灵敏度低。随着微电子技术和微机械加工技术的发展及在传感器中的应用，用微机械加工技术制造出的硅微机械谐振式传感器，引起了人们的特别兴趣。微机械谐振式传感器的敏感元件是用微电子和微机械工艺制作的微悬臂梁、微桥(双端固支梁)、方膜(或圆膜)等谐振子，利用其谐振频率、幅值或相位等作为敏感被测量的参数，可用来测量压力、真空度、角速度、加速度、流量、温度、湿度和气体成分等物理量。谐振器的激励方式有电磁激励、静电激励、逆压电激励、电热激励、光热激励等，其检测方式(即拾振方式)有压电拾振、压敏电阻拾振、电磁拾振、电容拾振、光学拾振等。

悬臂梁谐振器一端固定，另一端自由，自由端可释放器件制作时在梁中形成的残余应力，谐振频率不受封装应力的影响。悬臂梁谐振器的形状有直条形、变截面直条形、U形梁、三角梁、音叉梁等，已在原子力显微镜(AFM)探针(轻敲模式和非接触模式)、微机械电子滤波器、振荡器、生化传感器等器件上得到广泛应用。

基于微悬臂梁的谐振式传感器是目前传感器领域的一个研究热点，具有广泛的应用前景。但是环境温度变化对谐振频率的交叉灵敏度比较大，阻碍了微悬臂梁谐振式传感器向产业化发展。例如，单晶硅悬臂梁的谐振频率的温度系数为-21ppm/℃～-45ppm/℃，多晶硅悬臂梁的谐振频率的温度系数为-36ppm/℃。这么大的温度系数相对其较低的灵敏度来说显然是太大了。例如利用MFI分子筛检测氟里昂气体的灵敏度为-0.0024％/ppm，如该谐振器的谐振频率的温度系数在-21ppm/K，则环境温度升高10℃引起谐振频率的相对变化为-0.021％，相当于8.75ppm氟里昂气体引起的谐振频率的变化，大大超出了所能接受的极限误差。

为了减小温度对微悬臂梁谐振频率带来的误差，可采用参比悬臂梁来抑制干扰信号。但是，参比悬臂梁的引入需要为其建立独立的闭环回路，也大大增加了芯片结构、封装和检测系统的复杂性和成本。另外，仅依赖于参比梁来抑制环境温度影响并不能完全满足高精度测量的要求。因此，有必要采取适当措施减小谐振频率的温度系数。

发明内容

本发明的目的制作一种低温度交叉灵敏度的微悬臂梁谐振器。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：谐振器采用二氧化硅/硅或二氧化硅/氮化硅双层结构。由于二氧化硅的杨氏模量为正值，硅和氮化硅的杨氏模量的温度系数为负值，因而通过合理选择组成梁的多层材料的厚度比可使悬臂梁的谐振频率的温度系数实现自补偿，从而降低到较低的水平。

本发明所涉及的悬臂梁谐振器可实现谐振频率温度自补偿的原理：悬臂梁的谐振频率与梁的长度和组成梁的多层材料的杨氏模量、密度和厚度有关，因而悬臂梁谐振频率的温度系数与组成梁的多层材料的厚度、热膨胀系数和杨氏模量及密度的温度系数有关。通过理论计算悬臂梁谐振频率的温度系数并令其为零可得到组成悬臂梁的多层材料的最优厚度比。多层材料按该比例组成的悬臂梁应具有比较低的谐振频率温度系数。

按照以上补偿原理，对半导体工艺中常用的材料进行优选，采用二氧化硅/硅或二氧化硅/氮化硅双层结构实现悬臂梁谐振频率的温度自补偿。为了实现具体的激励或检测手段，可以在梁上制作激励/检测元件，如反光层、金属连线、电极、电阻等。但是，如果这些作为激励/检测元件的辅助层材料的宽度与梁宽度可比拟(如反光层)，则其厚度应远小于梁的总厚度；如果辅助层厚度比较大(如金属连线)，则其宽度应远小于梁的宽度。

经计算和实验证明：(1)可将谐振频率的温度系数降低到较低的水平的硅/二氧化硅双层悬臂梁的硅层和二氧化硅薄膜的最优厚度比是1.1～1.7。(2)可将谐振频率的温度系数降低到较低的水平的二氧化硅/氮化硅双层悬臂梁的二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的最优厚度比是0.9～1.2，其中的二氧化硅由热氧化法生长，氮化硅由低压化学气相淀积法(LPCVD)制作。

本发明所涉及的低温度交叉灵敏度的微悬臂梁谐振器具有以下优点：温度补偿方法简便易行，结构简单，成本低廉，不需要引入额外的温度传感器、参比悬臂梁和补偿电路。

附图说明

附图1为本发明所涉及的低温度交叉灵敏度的微悬臂梁谐振器的结构示意图。其中[a]为二氧化硅/硅梁，[b]为二氧化硅/氮化硅梁。应该说明的是：谐振器的激励方式有电磁激励、静电激励、逆压电激励、电热激励、光热激励等，其检测方式(即拾振方式)有压电拾振、压敏电阻拾振、电磁拾振、电容拾振、光学拾振等。不同的激励/检测方式的谐振器具有不同的结构，图1[a]和[b]示意的仅是用于光热激励/光学拾振方法的悬臂梁谐振器。对其他激励/检测手段应在梁上有相应的激励/检测元件。例如，图1[c]是电热激励/压阻检测的微悬臂梁谐振器，在梁端部有激励电阻激振，在根部有检测电阻拾振。

附图2是作为本发明的一个实施例的光热激励/光信号检测的硅/二氧化硅悬臂梁谐振器的制作工艺流程。

附图3是作为本发明的一个实施例的光热激励/光信号检测的二氧化硅/氮化硅悬臂梁谐振器的制作工艺流程。

附图中：

1—衬底材料 2—二氧化硅埋层 3—组成梁的二氧化硅层

4—硅层 5—氮化硅层 6—激励电阻

7—拾振电阻 8—成型槽 9—背面窗口

10—反光层

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。

实施例1

本实施例是制作一种光热激励/光信号检测的硅/二氧化硅悬臂梁谐振器。其中，硅层[4]厚度为1.3微米，二氧化硅层[3]厚度1微米，其结构如附图1(a)所示。其制作工艺流程如下(见附图2)：

(1)原始硅片为400微米厚的{100}面双面抛光SOI硅片。如果其二氧化硅埋层[2]厚度为t微米，则硅层[4]厚度应为(1.8+0.45t)微米。(见图2.[1])

(2)热氧化，氧化层[3]厚度为(1+t)微米。(见图2.[2])

(3)正面光刻悬臂梁图形，缓释氢氟酸(BOE)腐蚀梁周围的成型槽[8]中的二氧化硅掩膜。(见图2.[3])

(4)各向异性腐蚀液腐蚀梁周围的成型槽[8]中的硅，直到暴露出二氧化硅埋层[2]为止。(见图2.[4])

(5)背面光刻，形成背腐蚀窗口[9]。(见图2.[5])

(6)采用25％的四甲基氢氧化胺(TMAH)腐蚀液腐蚀背面窗口[9]的硅，直到暴露出二氧化硅埋层[2]为止。(见图2.[6])

(7)缓释氢氟酸(BOE)腐蚀SOI硅片的二氧化硅埋层[2]，同时悬臂梁正面的二氧化硅层[3]厚度也会减小。控制腐蚀时间当二氧化硅埋层[2]刚好完全去除后停止腐蚀，这时梁正面的二氧化硅层[3]厚度刚好为1微米。(见图2.[7])

(8)淀积金膜作为反光层[10]，厚度30纳米。(见图2.[8])

实施例2

本实施例是一种光热激励/光信号检测的二氧化硅/氮化硅悬臂梁谐振器。其结构如附图1(b)所示。其制作工艺流程如下(见附图3)：

(1)原始硅片为{100}面普通硅片[1]。(见图3.[1])

(2)热氧化。(见图3.[2])

(3)背面光刻胶保护，正面光刻悬臂梁图形，缓释氢氟酸(BOE)腐蚀梁周围的成型槽[8]中的二氧化硅。(见图3.[3])

(4)LPCVD法淀积氮化硅薄膜[5]，厚度为二氧化硅层[3]厚度的0.9～1.2倍。背面光刻胶保护，采用同一掩膜版正面光刻悬臂梁图形，腐蚀去梁周围的成型槽[8]中的氮化硅薄膜[5]。(见图3.[4])

(5)背面光刻，缓释氢氟酸(BOE)腐蚀窗口[9]的二氧化硅。(见图3.[5])

(6)采用25％的四甲基氢氧化胺(TMAH)腐蚀液腐蚀背面窗口[9]的硅，直到腐蚀穿后梁得到释放为止。(见图3.[6])

(7)淀积金膜作为反光层[10]，厚度30纳米。(见图3.[7])

Claims

1.一种低温度交叉灵敏度的微悬臂梁谐振器，采用二氧化硅/硅或二氧化硅/氮化硅双层结构。其特征在于：二氧化硅/硅双层结构微悬臂梁谐振器的硅层和二氧化硅层的最优厚度比是1.1～1.7。二氧化硅/氮化硅双层结构微悬臂梁谐振器的二氧化硅层和氮化硅层的最优厚度比是0.9～1.2。

2.据权利要求1所述低温度交叉灵敏度的微悬臂梁谐振器。其特征在于：其中的二氧化硅由热氧化法生长，氮化硅由低压化学气相淀积法(LPCVD)制作。

3.据权利要求1所述二氧化硅/硅或二氧化硅/氮化硅双层结构的低温度交叉灵敏度的微悬臂梁谐振器的激励方式可以为电磁激励、静电激励、逆压电激励、电热激励和光热激励。其检测方式可以为压电拾振、电容拾振、电磁拾振、光信号拾振以及压敏电阻拾振。为了实现上述具体的激励/检测手段，可以在梁上制作辅助层，如反光层、金属连线、电极等激励或检测元件。但是，如果该辅助层的宽度较大(如反光层)，则其厚度应远小于梁的总厚度；如果辅助层厚度比较大(如金属连线)，则其宽度应远小于梁的宽度。