CN101419227A - 基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器及制备方法，传感单元由两根微悬臂梁和组成惠斯通电桥的四个完全相同的力敏电阻构成，采用SOI硅片的中间氧化层作为悬臂梁的主体，其中一个所述悬臂梁作为检测悬臂梁，其上刻蚀出三个矩形孔缝作为应力集中区域，另一个所述悬臂梁作为参考悬臂梁，其上未加工孔缝结构。两个所述力敏电阻设置在所述两根悬臂梁上，另外两个所述电阻位于硅片衬底上。本发明可以极大提高微悬臂梁传感器应力检测的灵敏度，且保持较高的测量带宽。本发明可应用于多种压阻式MEMS结构，如力传感器、微陀螺、谐振器等，在环境检测、食品安全、航天军事等领域均可应用。

Description

基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及传感器及其制备方法，尤其涉及一种基于孔缝结构应力集中的压阻式微悬臂梁传感器及制备方法。

技术背景

近年来，基于微悬臂梁结构的传感器已成为微机电系统领域一个广泛关注的研究热点。该类传感器具有高灵敏度、高分辨率、快速响应和微型化等特点，被广泛应用于生化传感检测等领域。测量微悬臂梁弯曲的方法有光学和电学方法。光学法具有灵敏度高，但系统复杂，且光学系统需要精密校准限制了其广泛应用，电学法有压阻式、压电式、电容式等，灵敏度相较光学法要低，但操作简单，易于集成。其中作为应力检测的微悬臂梁传感器，由于具有结构简单、灵敏度高、在线检测性能优良等优点在环境监测、食品安全、航天军事等领域具有广阔的应用前景。该传感器的核心部件是单晶硅或氮化硅悬臂梁以及对应力变化敏感的压敏电阻元件。检测时外力作用于检测悬臂梁表面，产生表面应力变化导致悬臂梁弯曲，产生弯曲应力，由此导致集成在微悬臂梁表面的压阻元件的阻值发生相应的变化，进而通过惠斯通电桥转换为电压信号输出。

目前在环境监测、生化检测、医疗诊断、航天军事等领域需要大量的高灵敏度高带宽的微悬臂梁传感器。微悬臂梁传感器应力检测的灵敏度取决于悬臂梁的几何尺寸，如梁的长度和厚度，而带宽则取决于悬臂梁的第一阶固有频率。目前提高微悬臂梁应力检测灵敏度的方法主要是改变悬臂梁的几何尺寸，如减小悬臂梁的厚度，但减小厚度将会降低悬臂梁的刚度，而刚度的减小则会降低悬臂梁的第一阶固有频率，进而减小微悬臂梁检测的带宽。因此，采用传统的减小悬臂梁厚度来提高应力检测灵敏度的方法，不能保持高带宽的要求。

对于微悬臂梁式应力检测传感器，有关微悬臂梁结构、压阻元件等的介绍，请参见参考文献[M.H.Bao，“Analysis and Design Principles of MEMS Devices，”Elsevier，2005.]，[Chang Liu，“Foundations of MEMS，”Prentice Hall，2006.]。对于常见的单晶硅压阻式微悬臂梁传感器技术，请参见参考文献[A.Boisen，J.Thaysen，H.Jensenius，O.Hansen，Environmental Sensors based on Micromachinedcantilevers with integrated read-out，Ultramicroscopy，82(2000)：11-16]，[J.Thaysen，A.Boisen，O.Hansen，S.Bouwstra，Atomic force microscopy probe with

piezoresistive read-out and a highly symmetrical Wheatstone bridge arrangement，Sensors and Actuators，A 83(2000)：47-53.]，[P.A.Rasmussen，J.Thaysen，O.Hansen，S.C.Eriksen，A.Boisen，Optimised cantilever biosensor with piezoresistive read-out，Ultramicroscopy，97(2003)：371-376][A.Choudhury，P.J.Hesketh，T.Thundat，Z.Y.Hu，A piezoresistive microcantilever array for surface stress measurement-curvaturemodel and fabrication，J.Micromech.Micheng.，17(2007)：2065-2076]。对于压阻式微悬臂梁传感器，采用具有较小杨氏模量材料(SOI硅片的中间二氧化硅层相比单晶硅等具有较小的杨氏模量)制作的悬臂梁在同等条件下将产生较大的弯曲应力，而通常压阻式微悬臂梁采用杨氏模量相对较大的单晶硅或氮化硅材料不利于产生较大的弯曲变形。另外，在微悬臂梁表面制作的压阻元件越薄，则感应的弯曲应力越大，因此检测的灵敏度也就越高，请参见参考文献[A.Choudhury，P.J.Hesketh，T.Thundat，Z.Y.Hu，A piezoresistive microcantilever array for surfacestress measurement-curvature model and fabrication，J.Micromech.Micheng.，17(2007)：2065-2076]。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器及制备方法，以提高应力检测的分辨率、灵敏度，且保持较高的测量带宽要求。

本发明所采用的技术方案如下：

一、一种基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器：

包括检测悬臂梁、参考悬臂梁和四个完全相同的压阻敏感电阻构成的惠斯通电桥；检测悬臂梁上刻蚀出三个矩形孔缝作为应力集中区域；采用SOI硅片中间的二氧化硅层作为微悬臂梁的主体，上面的单晶硅层作为微悬臂梁上的压阻元件，并通过热氧化工艺将单晶硅压阻元件四周用二氧化硅绝缘层完全包覆；压阻元件的两个引出端位于SOI硅片的衬底处，检测悬臂梁和参考悬臂梁上的压阻元件具有相同特性，互为邻边与另外两个位于衬底上的压阻元件，共同构成惠斯通电桥。

所述参考悬臂梁的长度为检测悬臂梁长度的1/3～2/3。

所述构成传感单元的惠斯通电桥的四个压阻元件四周用二氧化硅绝缘层完全包覆，由金属线连接，呈U形设置于悬臂梁主体和衬底表面上。

二、一种基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)采用(100)晶面的SOI硅片作为制备微悬臂梁的材料，SOI硅片由下层硅基体、中间氧化层、顶层单晶硅器件层组成，将顶层硅器件层减薄至悬臂梁设计厚度，并通过热氧化形成表面二氧化硅绝缘层；

(2)依次光刻和腐蚀形成压阻元件的掩模图形，反应离子刻蚀掉掩模未阻挡的顶层硅直至暴露出SOI硅片的中间二氧化硅层，形成压阻敏感电阻的图形；

(3)用离子注入方式形成压阻敏感电阻，对于p型掺杂，悬臂梁的取向为<110>晶向，对于n型掺杂，悬臂梁取向为<100>晶向；

(4)热氧化使压阻敏感电阻完全被生长的薄二氧化硅层所包覆；

(5)光刻出压阻引线孔图形，用氢氟酸腐蚀掉氧化硅形成引线孔；

(6)溅射铝薄膜，依次光刻、腐蚀、去胶后形成金属铝引线；

(7)在铝线上溅射一层铬薄膜，依次光刻、刻蚀形成完全包覆铝线的铬钝化层；

(8)在硅片正面光刻形成氧化硅悬臂梁和三个矩形孔缝的掩模图形，用氢氟酸或干法刻蚀氧化硅层直至露出SOI硅片的底层硅为止，形成含矩形孔缝结构的微悬臂梁图形；

(9)从硅片背面进行硅的深刻蚀，刻蚀直至暴露出SOI硅片中间氧化层，释放出悬臂梁结构，完成所述微悬臂梁的制作。

所述硅片为p型或n型(100)晶面的SOI硅片，检测悬臂梁的长度为200～1000微米，宽度为50～200微米，厚度为3～10微米，参考悬臂梁的长度为100～500微米，宽度为10～200微米，厚度为3～10微米。

所述压阻元件的长、宽尺寸为200×20微米。

本发明的有益效果是：

(1)在检测悬臂梁上刻蚀出三个矩形的孔缝结构作为应力集中区域，利用孔缝结构的应力集中效应带来的丰富的应力集中信息来提高应力检测的灵敏度，而孔缝结构的引入对悬臂梁的刚度影响很小，故对悬臂梁的固有频率和测量带宽影响不大，从而实现微悬臂梁传感器高灵敏度高带宽测量的设计需求；

(2)采用SOI硅片中杨氏模量相对较小的二氧化硅层作为微悬臂梁的主体，在应力检测时可获得较大的弯曲应力，提高检测的灵敏度。

本发明可应用于多种压阻式MEMS结构，如力传感器、微陀螺、谐振器等，在环境检测、食品安全、航天军事等领域均可应用。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图2本发明微悬臂梁上的压阻敏感电阻和衬底上的压阻敏感电阻布局图及构成的惠斯通电桥示意图。

图3本发明的制作工艺流程图。

图4采用本发明的微悬臂梁与未加工出孔缝结构的微悬臂梁应力分布比较图。

图中：1、检测悬臂梁，2、参考悬臂梁，3、衬底，4、矩形孔缝，5、底层硅，6、中间二氧化硅层，7、顶层硅，8、二氧化硅绝缘层，9、压阻敏感电阻，10、引线孔，11、铝薄膜。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细说明，但并不限于该实例。

本发明属于微机电系统压阻式微悬臂梁传感器。传感单元包括检测悬臂梁1，参考悬臂梁2和四个完全相同的压阻敏感电阻R1，R2，R3，R4组成的惠斯通电桥。如图1，检测悬臂梁1上刻蚀出三个等距离排列的矩形孔缝4作为应力集中区域，参考悬臂梁2上没有孔缝结构。如图2(a)所示，两个集成在悬臂梁表面的压阻元件R1、R3分别位于两个悬臂梁上(R1呈U形环绕矩形孔缝结构布置在微悬臂梁表面，并靠近微悬臂梁的根部，R3呈U形位于参考悬臂梁上)，和另外两个与其在同一衬底3上的具有相同特性的单晶硅压阻元件R2，R4共同构成惠斯通电桥。压阻元件的两个引出端分别位于硅片衬底3处，四周均由二氧化硅包覆，以形成很好的电绝缘层。图2(b)为惠斯通电桥连接示意图，两悬臂梁上的压阻元件互为邻边，两衬底上的压阻元件也互为邻边，四个压阻元件通过金属导线连接成惠斯通电桥回路。利用SOI硅片的结构特点(从上至下依次为顶层单晶硅器件层、中间二氧化硅层、底层单晶硅)，将具有较小杨氏模量的中间二氧化硅层作为微悬臂梁的主体结构，而将顶层的单晶硅层作为悬臂梁上的压阻敏感电阻材料，使梁对外力作用下产生的表面应力具有较大的弯曲响应，从而产生较大的弯曲应力提高检测的灵敏度。

在检测微悬臂梁上刻蚀出矩形的孔缝结构，外力作用下会引起局部的应力集中。图4(a)、(b)所示，加工出三个矩形孔缝结构的微悬臂梁和未加工出孔缝结构的微悬臂梁在同等受力条件下，环绕矩形孔缝周围并靠近悬臂梁的根部处会出现局部的应力集中。由此环绕矩形孔缝的压阻敏感电阻的电阻值发生变化，而组成惠斯通电桥的其他三个压阻元件的阻值并无太大变化，于是外力作用引起的微悬臂梁表面应力的变化，以及孔缝结构引起的应力集中将转变为惠斯通电桥输出的电压信号，能较大的提高应力检测的灵敏度。而孔缝结构的引入对微悬臂梁的刚度减小不多，因此对微悬臂梁的固有频率改变不大，所以能够保证传感器的测量带宽要求。采用双悬臂梁结构，由于处在同一环境中，环境变化(如温度、噪声等)引起的干扰通过两根梁的差分输出可以被大大减小，提高检测的分辨率。且参考悬臂梁长度为检测悬臂梁长度的1/3～2/3，可以避免长度相同引起的共振。

实施例中，检测悬臂梁的设计尺寸为400×140×5μm，参考悬臂梁的设计尺寸为200×140×5μm，三个矩形孔缝尺寸为50×20×5μm，组成惠斯通电桥的四个完全相同的力敏电阻尺寸为200×20μm。检测时悬臂梁受力后应力的分布取决于悬臂梁的尺寸和施加的力，可以证明最大的应力发生在悬臂梁的表面并靠近根部位置，孔缝结构的引入使其周围出现应力集中现象。用Stoney公式推导出此时悬臂梁上的应力差分σ_l与悬臂梁端点的垂直位移Δz的关系为：

${\mathrm{\&sigma;}}_l=\frac{{\mathrm{Et}}^2}{3(1-v)L^2}\mathrm{\&Delta;z}---\left(1\right)$

其中，t为悬臂梁的厚度，L为悬臂梁的长度，E为杨氏模量，v为泊松比，Δz为悬臂梁端点的垂直位移。由此看出，应力检测与悬臂梁的宽度因素影响不大，经推导压阻敏感电阻的长度为检测悬臂梁长度40％左右的时候具有较大的检测灵敏度。

由于孔缝结构的应力集中效应，引入应力集中系数K_t，则此时微悬臂梁上的应力分布σ为：

σ＝K_tσ_l               (2)

对于p型硅的压阻效应，力敏电阻的相对变化率ΔR/R表示为：

$\frac{\mathrm{\&Delta;R}}{R}={\mathrm{\&pi;}}_l{\mathrm{\&sigma;}}_l+{\mathrm{\&pi;}}_t{\mathrm{\&sigma;}}_t---\left(3\right)$

其中，π_l，π_t为纵向和横向的压阻系数，但对于p型硅材料和悬臂梁结构特点：π_l>>π_t，σ_l>>σ_t，将(2)式代入(3)式，则有

$\frac{\mathrm{\&Delta;R}}{R}={\mathrm{\&pi;}}_l{\mathrm{\&sigma;}}_l+{\mathrm{\&pi;}}_t{\mathrm{\&sigma;}}_t\&ap;{\mathrm{\&pi;}}_l{K}_t{\mathrm{\&sigma;}}_l---\left(4\right)$

当悬臂梁由于外力的作用产生形变时，在偏压V_cc作用于惠斯通电桥时，电桥的输出为：

$\mathrm{\&Delta;V}=\frac{1}{4}\frac{\mathrm{\&Delta;R}}{R}{V}_{\mathrm{cc}}=\frac{1}{4}{K}_t({\mathrm{\&pi;}}_l{\mathrm{\&sigma;}}_l+{\mathrm{\&pi;}}_t{\mathrm{\&sigma;}}_t)V_{\mathrm{cc}}\&ap;\frac{1}{4}{K}_t{\mathrm{\&pi;}}_l{\mathrm{\&sigma;}}_l{V}_{\mathrm{cc}}---\left(5\right)$

微悬臂梁测量灵敏度的定义为电阻的相对变化与悬臂梁端点偏移量之比。将(1)式计算的应力结果带入(4)式，可得到电阻的相对变化随力的变化关系，悬臂梁的测量灵敏度可表示为：

$\frac{\mathrm{\&Delta;R}}{R}{\mathrm{\&Delta;z}}^{-1}=\frac{K_t{\mathrm{\&pi;}}_l{\mathrm{Et}}^2}{3(1-v)L^2}---\left(6\right)$

本发明的微悬臂梁传感器制作工艺如图3(A)～(G)所示，如下是制作的实例说明：

(A)采用p型(100)晶面的SOI硅片作为制备微悬臂梁的材料，SOI硅片由下层硅基体5、中间氧化层6、顶层单晶硅器件层7组成。

(B)将顶层硅器件层7通过热氧化形成二氧化硅绝缘层8，减薄至0.2微米稍厚于压阻层的厚度。

(C)依次光刻和腐蚀形成压阻元件的掩模图形。反应离子刻蚀掉掩模未阻挡的顶层硅直至暴露出SOI硅片的中间二氧化硅层，形成压阻敏感电阻的图形。

(D)用离子注入方式形成压阻敏感电阻9，对于p型掺杂，悬臂梁的取向为<110>晶向，形成单晶硅压阻敏感电阻层。热氧化生长出厚度为0.1微米的氧化层，使压阻敏感电阻完全被薄二氧化硅绝缘层所包覆，在900～1050℃下退火30分钟以上，以激活注入的硼离子形成具有压阻效应的敏感电阻。

(E)用光刻胶做掩模，光刻出压阻引线孔图形，用氢氟酸腐蚀掉氧化硅形成引线孔10。溅射一层铝薄膜11，依次光刻、腐蚀、去胶后形成金属铝引线，连接各个压阻元件形成惠斯通电桥回路。合金化工艺形成欧姆接触，在铝线上溅射一层铬薄膜，并通过光刻、刻蚀形成完全包覆铝线的铬钝化层。

(F)在硅片正面光刻形成氧化硅悬臂梁和三个矩形孔缝4的掩模图形，用氢氟酸或干法刻蚀氧化硅层直至露出SOI硅片的底层硅为止，形成含矩形孔缝结构的微悬臂梁图形。

(G)从硅片背面进行硅的深刻反应离子刻蚀，刻蚀直至暴露出SOI硅片中间氧化层，释放出悬臂梁结构，完成微悬臂梁的制作。

Claims (6)

1、一种基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器，其特征在于：包括检测悬臂梁(1)、参考悬臂梁(2)和四个完全相同的压阻敏感电阻构成的惠斯通电桥；检测悬臂梁(1)上刻蚀出三个矩形孔缝(4)作为应力集中区域；采用SOI硅片中间的二氧化硅层作为微悬臂梁的主体，上面的单晶硅层作为微悬臂梁上的压阻元件，并通过热氧化工艺将单晶硅压阻元件四周用二氧化硅绝缘层完全包覆；压阻元件的两个引出端位于SOI硅片的衬底(3)处，检测悬臂梁和参考悬臂梁上的压阻元件具有相同特性，互为邻边与另外两个位于衬底(3)上的压阻元件，共同构成惠斯通电桥。

2.根据权利要求1所述的一种基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器，其特征在于：所述参考悬臂梁(2)的长度为检测悬臂梁(1)长度的1/3～2/3。

3.根据权利要求1所述的一种基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器，其特征在于：所述构成传感单元的惠斯通电桥的四个压阻元件四周用二氧化硅绝缘层完全包覆，由金属线连接，呈U形设置于悬臂梁主体和衬底表面上。

4.一种制备如权利要求1所述的基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器的方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

(1)采用(100)晶面的SOI硅片作为制备微悬臂梁的材料，SOI硅片由下层硅基体(5)、中间氧化层(6)、顶层单晶硅器件层(7)组成，将顶层硅器件层(7)减薄至悬臂梁设计厚度，并通过热氧化形成表面二氧化硅绝缘层(8)；

(2)依次光刻和腐蚀形成压阻元件的掩模图形，反应离子刻蚀掉掩模未阻挡的顶层硅直至暴露出SOI硅片的中间二氧化硅层，形成压阻敏感电阻的图形；

(3)用离子注入方式形成压阻敏感电阻(9)，对于p型掺杂，悬臂梁的取向为<110>晶向，对于n型掺杂，悬臂梁取向为<100>晶向；

(4)热氧化使压阻敏感电阻完全被生长的薄二氧化硅层(8)所包覆；

(5)光刻出压阻引线孔图形，用氢氟酸腐蚀掉氧化硅形成引线孔(10)；

(6)溅射铝薄膜(11)，依次光刻、腐蚀、去胶后形成金属铝引线；

(7)在铝线上溅射一层铬薄膜，依次光刻、刻蚀形成完全包覆铝线的铬钝化层；

(8)在硅片正面光刻形成氧化硅悬臂梁和三个矩形孔缝(4)的掩模图形，用氢氟酸或干法刻蚀氧化硅层直至露出SOI硅片的底层硅为止，形成含矩形孔缝结构的微悬臂梁图形；

(9)从硅片背面进行硅的深刻蚀，刻蚀直至暴露出SOI硅片中间氧化层，释放出悬臂梁结构，完成所述微悬臂梁的制作。

5.根据权利要求4所述的基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器的制备方法，其特征在于：所述硅片为p型或n型(100)晶面的SOI硅片，检测悬臂梁(1)的长度为200～1000微米，宽度为50～200微米，厚度为3～10微米，参考悬臂梁(2)的长度为100～500微米，宽度为10～200微米，厚度为3～10微米。

6.根据权利要求5所述的基于孔缝应力集中的压阻式微悬臂梁传感器的制备方法，其特征在于：所述压阻元件的长、宽尺寸为200×20微米。

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