CN101397121A

CN101397121A - 硅纳米线压力传感器及悬臂梁及制作方法及其测量压力的方法

Info

Publication number: CN101397121A
Application number: CNA2008101166992A
Authority: CN
Inventors: 姜岩峰
Original assignee: North China University of Technology
Current assignee: TIANJIN ZHONGYA HUITONG TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2009-04-01
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: CN101397121B

Abstract

本发明公开了一种硅纳米线压力传感器悬臂梁及制作方法及其测量压力的方法，首先生长20nm左右的硅纳米线，进行烘干处理后，用扫描隧道显微镜STM针尖操作将硅纳米线装配到微电子机械的悬臂梁上。在悬臂梁被释放前、后，通过测量硅纳米线传感器的电阻变化，可以确定出对应悬臂梁的应变大小，并根据所测量的电阻大小，推导出一个应力参数η＝|R_a－R_b|×(R_a/R_b)，该参数与对应被测量的应变大小直接成正比，可以很容易的根据硅纳米线的电阻变化对应查出待测的应力的大小。操作方便、测量精度高。

Description

硅纳米线压力传感器及悬臂梁及制作方法及其测量压力的方法

技术领域

本发明涉及一种微电子机械技术，尤其涉及一种硅纳米线压力传感器悬臂梁及制作方法及其测量压力的方法。

背景技术

目前，随着微电子工艺加工水平的不断提高，微电子机械技术、纳米机械技术得到了飞速的发展，已广泛应用于各行各业。这就需要有相应的方法对微电子机械中的结构应变进行测量。

现有技术中，测量MEMS(微电子机械系统)中结构应变的方法有结构法、光学干涉法等。

上述现有技术至少存在以下缺点：操作复杂、测量精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作方便、测量精度高的硅纳米线压力传感器悬臂梁及制作方法及其测量压力的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的硅纳米线压力传感器，该传感器包括硅纳米线，所述硅纳米线的直径为20nm±2nm。

本发明的微电子机械的悬臂梁，该悬臂梁上装有上述的硅纳米线压力传感器。

本发明的上述的微电子机械的悬臂梁的制作方法，包括步骤：

首先，对所述硅纳米线进行烘干处理；

然后，用扫描隧道显微镜STM针尖操作将所述硅纳米线装配到所述悬臂梁上。

本发明的应用上述的硅纳米线压力传感器测量上述的微电子机械的悬臂梁的压力的方法，通过公式F＝kη进行测定，式中：F为待测压力；k为常数；η为参数；

所述参数

η = | R_{a} - R_{b} | \times \frac{R_{a}}{R_{b}},

式中：R_a为所述悬臂梁在施加外力时，所述硅纳米线对应的电阻；R_b为所述悬臂梁在所述外力释放后，所述硅纳米线对应的电阻。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的硅纳米线压力传感器悬臂梁及制作方法及其测量压力的方法，由于直接在微电子机械的悬臂梁上装有硅纳米线压力传感器。并应用参数

η = | R_{a} - R_{b} | \times \frac{R_{a}}{R_{b}}

测定悬臂梁的应变压力，操作方便、测量精度高。

附图说明

图1a、1b、1c、1d、1e、1f为本发明中制作悬臂梁的过程示意图；

图2为本发明中测量悬臂梁压力时施加外力示意图；

图3为本发明中悬臂梁释放外力前、后硅纳米线的电流电压关系曲线示意图；

图4为本发明中应力参数η和应力之间的关系曲线示意图；

图5为本发明中对应不同多晶硅悬臂梁厚度情况下的参数η和应力的关系曲线示意图。

具体实施方式

本发明的硅纳米线压力传感器，其较佳的具体实施方式是该传感器由硅纳米线制成。硅纳米线的直径可以为20nm±2nm。硅纳米线的掺杂浓度可以为4×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，硅纳米线可以为鞘-壳型结构。其中，硅纳米线也可以选用其它的直径、结构、参杂浓度等。

本发明的微电子机械的悬臂梁，其较佳的具体实施方式是，该悬臂梁上装有上述的硅纳米线压力传感器。

硅纳米线压力传感器可以装于该悬臂梁的上方，硅纳米线的长度方向可以与该悬臂梁的悬臂伸出方向一致。具体可以将硅纳米线的两端固定在所述悬臂梁上，并在两端连接出引脚焊块，硅纳米线与所述悬臂梁之间绝缘。悬臂梁可以为多晶硅悬臂梁，多晶硅悬臂梁与硅纳米线之间可以设有Si₃N₄绝缘层。悬臂梁和绝缘层也可以选用其它的材料制成。

本发明的上述的微电子机械的悬臂梁的制作方法，其较佳的具体实施方式是，首先，对所述硅纳米线进行烘干处理；然后，可以用扫描隧道显微镜STM针尖操作将硅纳米线装配到所述悬臂梁上。

具体进行硅纳米线的装配可以包括步骤：

首先，在悬臂梁上需要固定硅纳米线的位置淀积Si₃N₄绝缘层；然后，将硅纳米线在所述Si₃N₄绝缘层上调整好位置后，将硅纳米线沿长度方向拉紧；之后，将硅纳米线键合在Si3N4绝缘层上。

将硅纳米线键合在Si₃N₄绝缘层上时，可以采用聚焦离子束FIB技术在Si₃N₄绝缘层上淀积多晶硅，所淀积的多晶硅的掺杂浓度可以为10¹⁸cm^-3。

本发明的应用上述的硅纳米线压力传感器测量上述的微电子机械的悬臂梁的压力的方法，其较佳的具体实施方式是，通过公式F＝kη进行测定，式中：F为待测压力；k为常数；η为参数；

参数

η = | R_{a} - R_{b} | \times \frac{R_{a}}{R_{b}},

下面对本发明的具体实施例进行详细的阐述：

本发明采用牺牲层工艺进行悬臂梁的制备方法，如图1a、图1b、图1c、图1d、图1e、图1f所示，包括步骤：

首先，准备衬底材料，衬底材料可以选用硅材料衬底，可以先将作为衬底用的硅片用氢氟酸加硫酸加双氧水浸泡，然后取出硅片放在纯净水下冲洗10分钟以上；

然后，在衬底材料上淀积二氧化硅SiO₂牺牲层，并在二氧化硅牺牲层上刻蚀出锚点的位置；

之后，在二氧化硅牺牲层上淀积多晶硅材料，这里的多晶硅材料将作为悬臂梁的主体部分，可以使用LPCVD(低压等离子体化学气相淀积)方法进行多晶硅的淀积；

再后，在多晶硅层上淀积氮化硅Si₃N₄作为绝缘层，并将生长的硅纳米线SiNW压力传感器装配到多晶硅悬臂梁上，具体可以将硅纳米线SiNW压力传感器键合在Si₃N₄绝缘层上；

最后，将二氧化硅牺牲层去掉，并释放悬臂梁结构。

在上述过程中，可以在悬臂梁未被释放时，对硅纳米线压力传感器的电阻进行测量，然后释放悬臂梁后，再对硅纳米线压力传感器的电阻进行测量，比较两次测量结果，从而可以推导出硅纳米线压力传感器的电阻对应悬臂梁的应力和应变参数。

本发明中硅纳米线压力传感器的制备方法，包括：

制备硅纳米线使用的是VLS(气-液-固相生长)方法，使用金颗粒作为催化剂，金颗粒的直径为20纳米，根据硅-金相图，生长温度可以为435℃左右。在这一温度下，硅和金容易形成液态合金，当此合金中的硅处于超饱和时，硅纳米线就会在合金的液态和固态界面处持续生长。生长的纳米线直径在20nm±2nm之间，纳米线的长度可以通过生长时间来进行控制。

生长过程中，所用的CVD(等离子体化学气相淀积)系统的真空度可以为100毫托左右，其中硅烷的流量可以为50sccm左右。

在生长硅纳米线的过程中，可以通过调整硅烷和硼烷的浓度来进行硅纳米线浓度的调整。具体实施例中硅烷SiH₄与硼烷B₂H₆的浓度比可以调整为：SiH₄:B₂H₆＝4000:1左右，并通过四点法进行电阻测量，硅纳米线的掺杂浓度为4×10¹⁸cm^-3到1×10¹⁹cm^-3之间。所生长的纳米线为鞘-壳型结构。

本发明中硅纳米线压力传感器向多晶硅悬臂梁上装配的方法，包括：

首先，对硅纳米线进行烘干处理；

然后，用STM(扫描隧道显微镜)针尖操作来控制硅纳米线的装配，将待装配的硅纳米线摆正位置后，就对其进行紧固操作。具体可以用STM针尖将硅纳米线在Si₃N₄绝缘层上调整好位置后，将硅纳米线沿长度方向拉紧；

之后，将硅纳米线键合在悬臂梁的Si₃N₄绝缘层上，可以用FIB(聚焦离子束)技术在Si₃N₄绝缘层上淀积多晶硅，所淀积多晶硅的掺杂浓度可以为10¹⁸cm^-3。可以使硅纳米线牢固拉紧地固定在悬臂梁上。

本发明具体应用的测量方法如图2所示，在悬臂梁顶端加外力F，测量所对应的硅纳米线压力传感器的电流—电压关系。

如图3所示，为在悬臂梁外力释放前、后，硅纳米线压力传感器对应的电压—电流曲线，可以看出，外力释放前、后，硅纳米线压力传感器能够反映出悬臂梁应力的变化。

测量过程中，对应力参数η的推导：

本发明定义了一个应力参数：

η = | R_{a} - R_{b} | \times \frac{R_{a}}{R_{b}}

式中，R_a为所述悬臂梁在施加外力时，所述硅纳米线对应的电阻；R_b为所述悬臂梁在自由状态时，所述硅纳米线对应的电阻。即：R_a表示在悬臂梁外力释放前硅纳米线对应的电阻，R_b表示悬臂梁在外力释放后硅纳米线对应的电阻。

参数η和应力之间的关系如图4所示，为应力参数η和应力之间的关系，可以看出，它们之间服从理想的线性关系。

如图5所示，为悬臂梁在不同厚度情况下的应力参数η和应力之间的关系，对应不同悬臂梁厚度情况下，发现应力参数η和应力仍然符合线性关系。

即：F＝kη，式中F为应力，k为常数。

所以，根据以上趋势，在测量了硅纳米线压力传感器对应悬臂梁不同应变下的应力后，根据预先测定的曲线，就可以对应查出待测的应力的大小。

具体测试举例：

第1次，多晶硅悬臂梁厚度6微米，施加外力10MPa，释放前测量电阻为R_a＝10.85MΩ，释放后测量的电阻为R_b＝9.32MΩ，则

η = | R_{a} - R_{b} | \times \frac{R_{a}}{R_{b}} = 1.78 .

第2次，多晶硅悬臂梁厚度6微米，施加外力20MPa，释放前测量电阻为11.34MΩ，释放后测量电阻为9.75MΩ，则η为1.85。

根据两次测量结果，画出曲线，即可确定出待测应力的大小。

换一种厚度的悬臂梁后，悬臂梁厚度8微米，执行与上面同样的操作，可以看出：

第1次，施加外力10MPa，释放前测量电阻为10.80MΩ，释放后测量电阻为9.53MΩ，则η为1.44。

第2次，施加外力20MPa，释放前测量电阻为11.37MΩ，释放后测量电阻为9.83MΩ，则η为1.79。

本发明制备硅纳米线压力传感器，并将其组装到MEMS的悬臂梁上，在悬臂梁被释放前、后，通过测量硅纳米线传感器的电阻变化，可以确定出对应悬臂梁的应变大小，并根据所测量的电阻大小，推导出一个应力参数η，该参数与对应被测量的应变大小直接成正比，可以很容易的根据硅纳米线的电阻变化对应查出待测的应力的大小。而本发明中的硅纳米线的测量方法是一种新颖的方法，具有操作方便、测量精度高等特点。

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。

Claims

1、一种硅纳米线压力传感器，其特征在于，该传感器包括硅纳米线，所述硅纳米线的直径为20nm±2nm。

2、根据权利要求1所述的硅纳米线压力传感器，其特征在于，所述硅纳米线的掺杂浓度为4×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

3、一种微电子机械的悬臂梁，其特征在于，该悬臂梁上装有权利要求1或2所述的硅纳米线压力传感器。

4、根据权利要求3所述的微电子机械的悬臂梁，其特征在于，所述的硅纳米线压力传感器装于该悬臂梁的上方，且所述硅纳米线的长度方向与该悬臂梁的悬臂伸出方向一致。

5、根据权利要求4所述的微电子机械的悬臂梁，其特征在于，所述硅纳米线的两端固定在所述悬臂梁上，并在两端连接引脚焊块，所述硅纳米线与所述悬臂梁之间绝缘。

6、根据权利要求3、4或5所述的微电子机械的悬臂梁，其特征在于，该悬臂梁为多晶硅悬臂梁，所述多晶硅悬臂梁与所述硅纳米线之间设有Si₃N₄绝缘层。

7、一种权利要求3至6任一项所述的微电子机械的悬臂梁的制作方法，其特征在于，包括步骤：

首先，对所述硅纳米线进行烘干处理；

8、根据权利要求7所述的微电子机械的悬臂梁的制作方法，其特征在于，进行所述硅纳米线的装配包括步骤：

首先，在所述悬臂梁上需要固定所述硅纳米线的位置淀积Si₃N₄绝缘层；

然后，将所述硅纳米线在所述Si₃N₄绝缘层上调整好位置后，将所述硅纳米线沿长度方向拉紧；

之后，将所述硅纳米线键合在所述Si₃N₄绝缘层上。

9、根据权利要求8所述的微电子机械的悬臂梁的制作方法，其特征在于，将所述硅纳米线键合在所述Si₃N₄绝缘层上时，采用聚焦离子束FIB技术在所述Si₃N₄绝缘层上淀积多晶硅，所淀积的多晶硅的掺杂浓度为10¹⁸cm^-3。

10、一种应用权利要求1或2所述的硅纳米线压力传感器测量权利要求3至6任一项所述的微电子机械的悬臂梁的压力的方法，其特征在于，

通过公式F＝kη进行测定，式中：F为待测压力；k为常数；η为参数；

所述参数

η = | R_{a} - R_{b} | \times \frac{R_{a}}{R_{b}},