CN101131354A - 一种三角形结构的微悬臂梁传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三角形结构的微悬臂梁传感器，该传感器包括：用于支撑悬臂梁的衬底框架；至少一个固定于衬底框架上的悬臂梁结构；固定在构成所述悬臂梁结构的两个悬臂梁交叉成锐角端的反光板。本发明同时公开了一种三角形结构微悬臂梁传感器的制作方法。利用本发明，提高了测量的精度，在使用光学读出的系统中，使测量结果更加精确，并提高了成品率，易于实现大规模生产；在生物化学量的测量中，特别是在液体环境下的测量，可以得到广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)技术领域，尤其涉及一种三角形结构的微悬臂梁传感器及其制作方法，特别是关于一种应用于生物、化学传感中的带有方形反光板的三角形结构的微悬臂梁传感器及其制作方法。
背景技术
微悬臂梁结构是一种最简单的微机电系统(MEMS)，它易于进行微加工以及大量生产。近年来，将高灵敏度的微悬臂梁技术应用于生物、化学的实时探测成为传感器领域的研究热点。
这类传感器可以在气态或者液态条件下探测微量生化分子的存在。例如空气中的有机气体、有害气体、芳香剂，液体中的DNA、蛋白质等。少量的分子吸附在微悬臂梁的表面就会导致微悬臂梁弯曲偏转量和振荡频率的变化。然而，液体介质的阻尼效应严重影响了悬臂梁器件的振荡响应，而基于悬臂梁弯曲偏转的测量方法不会受到介质粘性的影响，因此，基于悬臂梁弯曲的测量方法在生物和化学探测中更具有吸引力。
可以使用许多方法来测量悬臂梁的弯曲，包括光学、电容、压阻和电子遂穿等方法。使用压阻读出需要电流流过悬臂梁，产生额外的热耗以及附带的热漂移。电容读出的缺点是电解液的电导导致电容法测量困难。光学探测方法与流体系统兼容，而且不必和悬臂梁有电接触，具有较高的探测精度。
现有悬臂梁的结构一般采用矩形结构或者V型结构。如图1所示，图1为现有悬臂梁的结构示意图。其中，图1-1为矩形结构悬臂梁示意图，图1-2为V形结构悬臂梁示意图。
矩形结构悬臂梁在液体中由于受到液体流动的影响，自由端容易产生波动，影响测量精度。V形结构在液体中自由端受到液体流动的影响小得多，但是使用光学读出时，现有V形结构的悬臂梁自由端的反射光强度较小。而且现有使用牺牲层释放法制作悬臂梁的工艺中，用于牺牲层释放的设备昂贵，而且成品率较低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种三角形结构的微悬臂梁传感器，以提高反射光的光强强度及测量的精度，在使用光学读出的系统中，使测量结果更加精确，并提高成品率。
本发明的另一个目的在于提供一种三角形结构微悬臂梁传感器的制作方法，以提高反射光的光强强度及测量的精度，在使用光学读出的系统中，使测量结果更加精确，并提高成品率。
(二)技术方案
为达到上述目的的一个方面，本发明的技术方案是这样实现的：
一种三角形结构的微悬臂梁传感器，该传感器包括：
用于支撑悬臂梁的衬底框架；
至少一个固定于衬底框架上的悬臂梁结构；
固定在构成所述悬臂梁结构的两个悬臂梁交叉成锐角端的反光板。
所述悬臂梁结构由两个交叉成锐角的悬臂梁构成，两个悬臂梁交叉成锐角端固定有反光板，两个悬臂梁交叉成锐角端的对端分别固定于衬底框架上。
所述衬底框架为单晶硅材料。
所述悬臂梁和反光板为多层结构。
所述多层结构中，支撑层为低应力氮化硅，在所述氮化硅层上蒸发淀积有铬/金双金属层。
所述氮化硅层厚度为1至2μm，铬层厚度为50至100埃，金层厚度为300至1000μm。
所述反光板和悬臂梁的金层表面设置有敏感层。
所述敏感层为由生物活性材料构成的自组装单分子膜。
所述反光板的形状为方形，所述方形反光板面积为900至2000μm2，反光板中心到支撑框架边缘的垂直距离为200至800μm；所述悬臂梁的长为210至450μm，宽为5至50μm。
为达到上述目的的另一个方面，本发明的技术方案是这样实现的：
一种三角形结构微悬臂梁传感器的制作方法，该方法包括：
A、采用双面抛光p型硅片，经过常规清洗后，在硅片两面使用LPCVD淀积低应力氮化硅层；
B、用第一块掩模板在硅片背面定义出刻蚀窗口，然后刻蚀掉氮化硅；
C、用第二块掩模版在正面进行光刻，经刻蚀，形成反光板和悬臂梁以及支撑悬臂梁的衬底框架；
D、在步骤C得到的硅片的正面，使用电子束蒸发淀积铬/金双金属膜；
E、用KOH湿法腐蚀硅衬底，释放反光板和悬臂梁，得到三角形结构微悬臂梁传感器。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、悬臂梁在液体中容易受液体流动的影响，而导致自由端，也就是反光板部分的上下摆动，影响测量精度。与矩形悬臂梁相比，在相同梁宽，自由端到固定端的垂直距离相同的情况下，三角结构的悬臂梁比矩形结构的悬臂梁具有更好的稳定性。因此，利用本发明提供的三角形结构的微悬臂梁传感器，提高了测量的精度。
2、相对于矩形悬臂梁和不带反光板的三角形结构的悬臂梁，带有反光板的三角形结构的悬臂梁提高了反射光的光强强度，在使用光学读出的系统中，使测量结果更加精确。
3、结构简单，使用标准的硅表面加工技术及简单的衬底全镂空的制作工艺，提高了成品率，易于实现大规模生产。
4、灵活性好。可以在一个单元的硅衬底上制作不同长度和宽度的悬臂梁器件。
5、在生物化学量的测量中，特别是在液体环境下的测量，可以得到广泛的应用。
附图说明
图1为现有悬臂梁的结构示意图；
图2为本发明提供的三角形结构微悬臂梁传感器的示意图；
图3为本发明提供的三角形结构微悬臂梁传感器另一种形式的示意图；
图4为本发明提供的三角形结构微悬臂梁传感器的剖面图；
图5为本发明提供的制作三角形结构微悬臂梁传感器的方法流程图；
图6为本发明提供的制作三角形结构微悬臂梁传感器的工艺流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图2所示，图2为本发明提供的三角形结构微悬臂梁传感器的示意图，该传感器包括：用于支撑悬臂梁的衬底框架(3)，至少一个固定于衬底框架上的悬臂梁结构，固定在构成所述悬臂梁结构的两个悬臂梁(1)交叉成锐角端的反光板(2)。
所述悬臂梁结构由两个交叉成锐角的悬臂梁(1)构成，两个悬臂梁(1)交叉成锐角端固定有反光板(2)，两个悬臂梁(1)交叉成锐角端的对端分别固定于衬底框架(3)上。
所述衬底框架(3)为单晶硅材料，单晶硅衬底起到支撑悬臂梁的作用。
悬臂梁通过两个固定端固定在单晶硅衬底(3)上，悬臂梁的自由端则是反光板(2)。在初始状态，入射光与反光板(2)成一定角度照射到反光板(2)上，然后以与入射角度相同的角度反射出去，当反光板(2)和悬臂梁表面的敏感层吸附了探测目标之后，悬臂梁的上下表面应力差发生改变，导致悬臂梁弯曲，使得光的入射角和反射角都发生变化，使用PSD(position-sensitive detector)可得到悬臂梁弯曲的变化量。
如图3所示，图3为本发明提供的三角形结构微悬臂梁传感器另一种形式的示意图。
依据图3，衬底框架(3)的两侧可以排列由多个悬臂梁结构，所述构成悬臂梁结构的两个悬臂梁的长一般为210至450μm，宽一般为5至50μm。
所述反光板(2)一般为方形，方形反光板面积为900至2000μm2，反光板中心到支撑框架边缘的垂直距离一般为200至800μm。
所述氮化硅层厚度一般为1至2μm，铬层厚度一般为50至100埃，金层厚度一般为300至1000μm。
如图4所示，图4为本发明提供的三角形结构微悬臂梁传感器的剖面图。悬臂梁和反光板一般为多层结构，在该多层结构中，支撑层为低应力氮化硅(4)，在所述氮化硅层(4)上蒸发淀积有铬/金双金属层(5)。
在反光板和悬臂梁的金层表面设置有敏感层，敏感层一般为由生物活性材料构成的自组装单分子膜。
如图5所示，图5为本发明提供的制作三角形结构微悬臂梁传感器的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤501：采用双面抛光p型硅片，经过常规清洗后，在硅片两面使用LPCVD淀积低应力氮化硅层；
步骤501：用第一块掩模板在硅片背面定义出刻蚀窗口，然后刻蚀掉氮化硅；
步骤503：用第二块掩模版在正面进行光刻，经刻蚀，形成反光板和悬臂梁以及支撑悬臂梁的衬底框架；
步骤504：在步骤503得到的硅片的正面，使用电子束蒸发淀积铬/金双金属膜；
步骤505：用KOH湿法腐蚀硅衬底，释放反光板和悬臂梁，得到三角形结构微悬臂梁传感器。
具体制作三角形结构微悬臂梁传感器的方法还可以参照图6，图6为本发明提供的制作三角形结构微悬臂梁传感器的工艺流程示意图。图5所示各步骤501至505分别对应于图6中的601至605。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三角形结构的微悬臂梁传感器，其特征在于，该传感器包括：
用于支撑悬臂梁的衬底框架；
至少一个固定于衬底框架上的悬臂梁结构；
固定在构成所述悬臂梁结构的两个悬臂梁交叉成锐角端的反光板。
2.根据权利要求1所述的三角形结构的微悬臂梁传感器，其特征在于，所述悬臂梁结构由两个交叉成锐角的悬臂梁构成，两个悬臂梁交叉成锐角端固定有反光板，两个悬臂梁交叉成锐角端的对端分别固定于衬底框架上。
3.根据权利要求1或2所述的三角形结构的微悬臂梁传感器，其特征在于，所述衬底框架为单晶硅材料。
4.根据权利要求1所述的三角形结构的微悬臂梁传感器，其特征在于，所述悬臂梁和反光板为多层结构。
5.根据权利要求4所述的三角形结构的微悬臂梁传感器，其特征在于，所述多层结构中，支撑层为低应力氮化硅，在所述氮化硅层上蒸发淀积有铬/金双金属层。
6.根据权利要求5所述的三角形结构的微悬臂梁传感器，其特征在于，所述氮化硅层厚度为1至2μm，铬层厚度为50至100埃，金层厚度为300至1000μm。
7.根据权利要求5所述的三角形结构的微悬臂梁传感器，其特征在于，所述反光板和悬臂梁的金层表面设置有敏感层。
8.根据权利要求7所述的三角形结构的微悬臂梁传感器，其特征在于，所述敏感层为由生物活性材料构成的自组装单分子膜。
9.根据权利要求1所述的三角形结构的微悬臂梁传感器，其特征在于，所述反光板的形状为方形，所述方形反光板面积为900至2000μm2，反光板中心到支撑框架边缘的垂直距离为200至800μm；所述悬臂梁的长为210至450μm，宽为5至50μm。
10.一种三角形结构微悬臂梁传感器的制作方法，其特征在于，该方法包括：
A、采用双面抛光p型硅片，经过常规清洗后，在硅片两面使用LPCVD淀积低应力氮化硅层；
B、用第一块掩模板在硅片背面定义出刻蚀窗口，然后刻蚀掉氮化硅；
C、用第二块掩模版在正面进行光刻，经刻蚀，形成反光板和悬臂梁以及支撑悬臂梁的衬底框架；
D、在步骤C得到的硅片的正面，使用电子束蒸发淀积铬/金双金属膜；
E、用KOH湿法腐蚀硅衬底，释放反光板和悬臂梁，得到三角形结构微悬臂梁传感器。
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