CN101303239B - 一种传感器及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器及其调节方法，所述的传感器包括：微型悬臂梁(或微型桥)和MOS管，其中，所述的微型悬臂梁(或微型桥)搭建在MOS管上，在微型悬臂梁(或微型桥)和MOS管之间形成检测电容；所述的传感器调节方法通过在微型悬臂梁或微型桥内置浮动多晶硅层，所述的浮动多晶硅层用以接收注入电荷，使浮栅电压具有传感器电耦比和注射电荷功能。因此，本发明的实现可以使微型悬臂梁、微型桥的变化情况通过电容传递MOS管，直接以输出电流信号的变化情况反应微型悬臂梁、微型桥的变化情况；同时，可以通过注射电荷的数量调节传感器的阈值电压，提高传感器的灵敏度。

Description

一种传感器及其调节方法

技术领域

本发明涉及微机电系统领域，尤其涉及一种传感器及其调节方法。

背景技术

传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技技术之一，而传感器是准确获取自然和生产领域中可靠信息的主要途径与手段。

随着科技的发展，需要采集处理的信号强度越来越微弱，有的已经达到纳米级、易被噪声淹没不易检测等特点，必然要求传感器的尺寸也越来越小，因此，出现了多种微机械传感器。所述的微机械传感器是采用微机电和微机械加工技术制造出来的新型微型传感器，与传统的传感器相比，使得它在微米、纳米量级特征的尺寸可以完成传统传感器所不能完成的功能。

目前，微型传感器主要是利用MEMS(微机电系统)技术把传感器加工成微型悬臂梁或微型桥结构，如硅微机械悬臂梁是一种灵敏度极高的器件，可探测到10-5N/m的表面应力和纳克的质量变化，近年来在传感器领域受到很大的关注。所述的微型悬臂梁、微型桥结构是在微型桥和衬底间形成一个电容，当负载沿垂直方向作用时，极板间距减小，电容量增加，其变化可用适当电路检测并转换成电压信号输出。

一般，微悬臂梁、微桥的结构尺寸在微米量级甚至是纳米量级，检测电容的中心电容量很小，通常在pF量级，产生的电容变化量甚至在aF量级以下，如此小的电容变化量必须经信号放大装置放大后，才能连接到电压中间转换器，如图1所示，把电容信号转换为电压信号，最后连接到读出电路上。

读出电路根据电压中间转换器输出信号的特点，包含积分放大、采样保持、输出缓冲、多路传输、A/D转换，如图2所示。

采用这种方案设计的微机械传感器可以较为准确的测量微弱信号，但由于各种传感器输出的信号截然不同，因此，对于每一种传感器，都需要一套信号处理专用电路，造成后端电路难以标准化。

由此可见，传感器和后端处理电路之间的接口部分一直是阻碍传感器实用化发展的“瓶颈”。

发明内容

本发明实施例提供了一种传感器及其调节方法，可以有效解决传感器和后端处理电路之间的接口问题，并简化了传感器系统电路。

本发明实施例是通过以下技术方案实现的：

一种传感器，包括：微型悬臂梁或微型桥和金属氧化物半导体晶体管，所述的微型悬臂梁或微型桥搭建在所述的金属氧化物半导体晶体管上，微型悬臂梁或微型桥与所述的金属氧化物半导体晶体管之间构成检测电容，检测电容的输出信号直接通过金属氧化物半导体晶体管输出电信号。

所述的微型悬臂梁或微型桥包括0.5μm膜厚度。

一种传感器的调节装置，包括：多晶硅浮栅层，所述的多晶硅浮栅层设于微型悬臂梁或微型桥内部，且所述的多晶硅浮栅层与微型悬臂梁或微型桥间设有绝缘层。

所述的多晶硅浮栅层可以接收第一次注射电荷，并将第一次注射电荷储存在多晶硅浮栅层，作为多晶硅浮栅层的原始注射电荷量，用以设置传感器的阈值电压的初始值。

所述的多晶硅浮栅层可以接收后续的注射电荷，并通过调节注射电荷的数量来调节传感器的阈值电压。

所述的传感器的调节装置还包括多晶硅浮栅层封装壳，用于封装多晶硅浮栅层。

所述的封装壳上设置有可以透光的小窗口，用以接收包括紫外线的照射。

所述的紫外线可以擦除多晶硅浮栅层上后续的注射电荷，用以将多晶硅浮栅层上的电荷恢复到原始注射电荷量，从而恢复传感器的阈值电压的初始值。

一种传感器的调节方法，包括：

在传感器的微型悬臂梁或微型桥中内置多晶硅浮栅层，在所述的多晶硅浮栅层上第一次注射电荷，所述的电荷可以储存在多晶硅浮栅层，作为多晶硅浮栅层的原始注射电荷量，从而可以设置传感器的阈值电压的初始值；

在所述的多晶硅浮栅层中每增加一次注射电荷，可以使传感器的阈值电压相应减小；

在所述的多晶硅浮栅层上通过包括紫外线照射的方法，使多晶硅浮栅层中的电荷量恢复到第一次注射电荷的原始电荷量，从而可以恢复传感器的阈值电压初始值。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，本发明的实施例采用微型悬臂梁(或微型桥)直接搭建在MOS管上和调节微型悬臂梁或微型桥的结构，使得本发明实施例的实现可以把传感器信号直接转换微电学信号。

附图说明

图1为现有技术提供的连接读出电路的微悬臂梁或微桥连接原理图；

图2为现为现有技术提供的阵列压力传感器处理框图；

图3为本发明实施例提供的在MOS管上构建微型悬臂梁或微型桥的传感器结构简图；

图4为本发明实施例提供的在MOS管上构建微型悬臂梁或微型桥的制造工艺流程图；

图5为本发明实施例提供的实现阈值电压可调的微型悬臂梁或微型桥结构简图；

图6本发明实施例提供的3次紫外线擦除编程循环结果比较示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种传感器，如图3所示，所述的传感器包括：微型悬臂梁(或微型桥)和金属氧化物半导体晶体管(MOS管)，其中，所述的微型悬臂梁(或微型桥)搭建在MOS管上，从而可以在微型悬臂梁(或微型桥)和MOS管之间形成一个模拟检测电容，因此，微型悬臂梁(或微型桥)的变化都可以引起模拟检测电容的电容量的变化，所述的电容变化可以通过MOS管直接输出电流信号的变化，用以反应微型悬臂梁、微型桥的变化情况。

由此可见，当所述的传感器需要采集的信号发生微小的变化时，如微型悬臂梁(或微型桥)表面受到压力、加速度等物理量作用时，都会导致微型悬臂梁(或微型桥)的变化，而微型悬臂梁(或微型桥)的变化可以导致模拟检测电容的电容量的变化，而模拟检测电容的电容量的变化可以通过MOS管直接转变成电流的变化。因此，本发明实施例提供的传感器可以将传感器信号直接转换微电学信号，从而有效的解决了传感器和后端处理电路之间接口问题，并简化了传感器系统电路。

本发明实施例提供的传感器的制造工艺可以通过在事先加工好的带有MOS管的芯片上采用牺牲层的方构建微型悬臂梁或微型桥，所述的构建微型悬臂梁或微型桥的具体实现工艺如图4所示。

第一步，溅射后继的二氧化硅牺牲层图形，在牺牲层上溅射淀积多晶硅的结构层。第二步，在氢氟酸中刻蚀牺牲层。最后一步是从氢氟酸中取出器件、漂洗、烘干。

其中，在具体构建微型悬臂梁或微型桥中，采用的是双阱、两层多晶硅、两层金属线(CMOS)技术，具体包括：

首先，使用第一层多晶硅(poly0)构建微型悬臂梁或微型桥，这一层使用CNM标准CMOS加工作为模拟检测电容的底层，因此，可以不改变晶体管特征值对它进行略微的更改。

其次，通过对不同厚度微型悬臂梁或微型桥零漂随膜厚度变化进行试验测试，试验结果证明，当膜厚度为0.5μm时，不同厚度的微型悬臂梁或微型桥零漂接近于零，因此，可以设计poly0层的厚度约为500nm，沉积温度减少到580℃，在950℃掺杂POCl₃，使底层有13.8Ω/sq的表面电阻，表面粗糙度从15nm减少到7nm。在生长栅氧化层时，第一层被氧化，并被第二层多晶硅(poly1)覆盖，用以保护第一层。

最后，在氧化层上加上掩膜，在平台区域顶端加上金属层。掩膜界定后，通过干刻蚀法把图案影印到poly0层上。最后在BHF(氢氟酸)中降压，用于刻蚀底层1μm厚的SiO₂。

本发明实施例还提供了一种传感器的调节装置，应用于本发明实施例提供的传感器，如图5所示，所述的装置包括多晶硅浮栅层，该多晶硅浮栅层设置于微型悬臂梁或微型桥内部，且与微型悬臂梁或微型桥间设有绝缘层。

所述的多晶硅浮栅层可以接收离子注入发射的第一次注入电荷，并将该第一次注入电荷储存在多晶硅浮栅层，作为多晶硅浮栅层的原始注入电荷量，使浮栅结构具有一定的电荷耦合能力，存储有一定的电荷，用以设置传感器的阈值电压的初始值。所述的多晶硅浮栅层还可以接收后续的注射电荷，并通过调节注入电荷的数量来调节传感器的阈值电压。

所述的装置还包括多晶硅浮栅层封装壳，并在所述的封装壳上设置有可以透光的小窗口，用以接收包括紫外线的照射。所述的紫外线可以擦除多晶硅浮栅层上后续的注射电荷，用以将多晶硅浮栅层上的电荷恢复到原始注射电荷量，从而恢复传感器的阈值电压的初始值。

由此可见，当微型悬臂梁或微型桥由于重力的作用发生形变时，通过微型悬臂梁或微型桥与MOS管之间的检测电容产生一个电压，此电压也会通过MOS管输出电流，从而影响传感器获取信号的准确性，因此可以通过在微型悬臂梁或微型桥中内置一多晶硅浮栅层，并在多晶硅浮栅层上注射电荷，产生一个浮栅电压，通过调节注射电荷的数量来调节浮栅电压，从而可以调节传感器的阈值电压，因此，可以补偿由于微型悬臂梁或微型桥的形变引起的电压变化，同时，也提高了传感器的灵敏度。

本发明实施例还提供了一种传感器的调节方法，应用于本发明实施例提供的传感器，通过在微型悬臂梁或微型桥的内部设置一多晶硅浮栅层，通过调节多晶硅浮栅层上的注射电荷，使传感器的阈值电压可调，从而使传感器阈值电压具有可编程和可删除的功能。

一般，传感器的微型悬臂梁有两个重要参数：(1)弹簧系数k，(2)基波的振动频率f₀，所述的振动频率f₀可以通过共振结构的尺寸和材料的机械性能计算。质量密度ρ)其中，

弹簧系数k可以表示为：

$k=\frac{E}{4}\frac{{\mathrm{\ω}}^3}{l^3}t(N/m),---\left(1\right)$

质量弹簧模型可以近似的表示微型悬臂梁中心的位移。

共振频率可以表示为：

$f_0=\sqrt{\frac{k}{m_{\mathrm{eff}}}}\left(\mathrm{Hz}\right)---\left(2\right)$

ω，l和t分别是底层振荡微型悬臂梁的宽度、长度和厚度，E为杨氏模量，m_eff是微型悬臂梁的有效质量，即m_eff＝0.24ρωlt(kg)，ρ为质量密度。

当一个质量放置到悬臂上，悬臂的振动频率将会改变，假定一层多晶硅微型悬臂梁(E＝150GPa和ρ＝2330kg/m³)。

由公式(1)、(2)得

$\frac{\mathrm{\δm}}{\mathrm{\δf}}\≅0.9l^{3}t(\mathrm{kg}/\mathrm{Hz})---\left(3\right)$

由此可见，微型悬臂梁的灵敏度与悬臂梁的厚度成反比，与悬臂梁长度成正比，若要提高微型悬臂梁的灵敏度，应增大微型悬臂梁的长度、减小微型悬臂梁的厚度。但是由于重力作用，当悬臂梁的长度增加到一定范围、厚度减小到一定范围，悬臂梁产生形变，这一形变很难控制，将会影响传感器的测量结果。

同样，微型桥的性能也由两个重要参数决定：当时，；当

时，

；

因此，通过增大微型桥的长度、减小微型桥的厚度，可以提高器件的灵敏度，但是微型桥的长度增加到一定范围、厚度减小到一定范围内，微型桥也会产生形变以致影响传感器的测量结果。

由于微型悬臂梁、微型桥的重力作用会造成微型悬臂梁、微型桥的形变，从而会引起微型悬臂梁、微型桥与MOS管之间的检测电容的变化，监测电容的变化造成在微型悬臂梁、微型桥与MOS管之间的电压变化，最终，会影响传感器的灵敏度。

为了有效解决这一问题，使微型悬臂梁、微型桥的形变可以受到控制，本发明实施例提供的方法可以有效补偿由于重力作用引起的微型悬臂梁、微型桥的形变而造成的电压变化。具体实施方案仍参考图5所示。

在微型悬臂梁或微型桥中内置一多晶硅浮栅层，且所述的多晶硅浮栅层与微型悬臂梁或微型桥间设有绝缘层，所述的绝缘层可以包括二氧化硅，用以保护多晶硅浮栅层免受外力影响。其中，

所述的多晶硅浮栅层用以接收离子注入的第一次注入电荷，并将该注入电荷储存在多晶硅浮栅层，所述的第一次注入电荷可以设置为多晶硅浮栅层的原始电荷量，使浮栅结构具有一定的电荷耦合能力，存储有一定的电荷，因此，可以设置传感器的阈值电压的初始值，所述的传感器的阈值电压初始值可以通过浮栅上的电荷进行调控，而不仅仅依赖于悬臂梁本身的挠度和杨氏模量等参数，并且当悬臂梁释放时，由于梁本身的应力作用，会使梁发生弯曲，从而改变了阈值电压的变化，通过本发明的方法，可以通过注入电荷多少的改变，调整由于应力带来的阈值电压的改变。

所述的浮栅电压可以通过注射电荷的数量变化进行调节，如每注射一次电荷，使得多晶硅浮栅层的注射电荷增加，由此，浮栅电压也相应增加，传感器的阈值电压相应减小，因此，可以通过调节传感器的阈值电压而调节微型悬臂梁或微型桥的形变；

所述的传感器的阈值电压可以通过紫外线擦除方法进行恢复，如图6所示的通过3次紫外线擦除编程循环结果比较示意图，每次注射电荷后，由于，多晶硅浮栅层中的电荷量的增加，导致浮栅电压的相应增加，从而使传感器的阈值电压相应减小，但是，经过紫外线擦除后，可以将多晶硅浮栅层中的电荷量恢复到第一次注射时的原始注射电荷数量，从而可以将传感器的阈值电压恢复为原来的值。

由此可见，本发明实施例提供的技术方案采用在微型悬臂梁或微型桥的中内置一多晶硅浮栅层，通过注射电荷的方法实现传感器的阈值电压可调，从而使传感器阈值电压具有可编程和可删除的功能，从而也可以补偿由于重力作用引起的微型悬臂梁、微型桥的形变而造成的电压变化，提高了传感器的灵敏度。

本发明实施例提供的传感器可以采用在微型悬臂梁、微型桥的一个表面涂镀特殊的生化敏感层，当被测物质经扩散进入生化敏感层，在悬臂梁、桥表面发生物理吸附或化学吸附，引起悬臂梁、桥质量发生变化时，悬臂梁的响应频率将产生频移或使悬臂梁产生表面应力，悬臂梁表面应力的改变将使其弯曲，从而可以制成微型生化传感器，以便准确获取包括生物、化学、物理等信号。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种传感器的调节装置，其特征在于，包括：多晶硅浮栅层，所述的多晶硅浮栅层设于传感器的微型悬臂梁或微型桥内部，且所述的多晶硅浮栅层与所述微型悬臂梁或微型桥间设有绝缘层；

其中，所述的多晶硅浮栅层接收第一次注射电荷，并将第一次注射电荷储存在多晶硅浮栅层，作为多晶硅浮栅层的原始注射电荷量，用以设置传感器的阈值电压的初始值；所述的多晶硅浮栅层接收后续的注射电荷，并通过调节注射电荷的数量来调节传感器的阈值电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的传感器的调节装置还包括多晶硅浮栅层封装壳，用于封装多晶硅浮栅层。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的封装壳上设置有可以透光的小窗口，用以接收包括紫外线的照射。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的紫外线可以擦除多晶硅浮栅层上后续的注射电荷，用以将多晶硅浮栅层上的电荷恢复到原始注射电荷量，从而恢复传感器的阈值电压的初始值。

5.一种传感器的调节方法，其特征在于，包括：

在传感器的微型悬臂梁或微型桥中内置多晶硅浮栅层，在所述的多晶硅浮栅层上第一次注射电荷，所述的电荷可以储存在多晶硅浮栅层，作为多晶硅浮栅层的原始注射电荷量，从而可以设置传感器的阈值电压的初始值；

在所述的多晶硅浮栅层中每增加一次注射电荷，可以使传感器的阈值电压相应减小；

在所述的多晶硅浮栅层上通过包括紫外线照射的方法，使多晶硅浮栅层中的电荷量恢复到第一次注射电荷的原始电荷量，从而可以恢复传感器的阈值电压初始值。

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