CN101551404A - 一种基于纳米谐振器的加速度传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米谐振器的加速度传感器，包括四根支撑梁、质量块和基底，悬空的质量块通过四根支撑梁与基底连接；基底、质量块和四支撑梁上覆盖有绝缘层，绝缘层上在四根支撑梁的端部设有八对电极，纳米谐振梁分别搭接并固定在相应的电极对上，纳米谐振梁采用半导体纳米线或半导体纳米管；纳米谐振梁、上金属电极对和下硅电极构成场效应晶体管结构，下硅电极与上金属电极对之间由绝缘层隔开，上金属电极对分别为源极和漏极，下硅电极为门电极。本发明还公开了一种制造该加速度传感器的方法和应用该加速度传感器测量加速度的方法。本发明采用半导体纳米线或半导体纳米管作为谐振梁，可以通过混频锁相技术实现传感器的高灵敏度测量。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种基于纳米谐振器的加速度传感器及其制造方法。
背景技术
微型、高性能的惯性传感器在航空、航天、车辆、船舶、机器人等行业有广泛的应用需求，微加速度计就是其中一员。微加速度计按照工作原理有多种类型，如电容式、压阻式、谐振式、隧道效应式等。其中，谐振式加速度传感器已经被公认为是一种高灵敏度传感器。谐振式加速度传感器的基本工作原理是：在加速度的作用下，质量块引起的惯性力转化为对谐振梁的应力，因此，在谐振条件下，谐振梁的谐振频率的变化反映了加速度的大小，通过检测谐振梁谐振频率可以检测出加速度信息。谐振式传感器输出频率信号，为一种准数字信号，不易受到环境的干扰，很容易与数字电路进行匹配，且在传输中也不易出现失真误差，所以这种传感器在原理上具有高精度。
随着近年来微电子技术和微机械技术的迅猛发展，作为谐振式传感器重要组成部分的敏感单元-谐振梁的尺度已发展到微米级、纳米级。现有的微机电谐振式加速度传感器大多采用微机电硅工艺进行加工制作，由于工艺条件的限制，能够实现谐振梁的材料和物理尺寸都有限，因而实现的加速度传感器灵敏度也存在局限。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种基于纳米谐振器的加速度传感器及其制造方法，以克服现有微机电谐振式加速度传感器性能上的局限。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种基于纳米谐振器的加速度传感器，所述加速度传感器包括四根支撑梁、质量块和基底，悬空的质量块通过四根支撑梁与基底连接；基底、质量块和四支撑梁上覆盖有绝缘层，所述绝缘层上在四根支撑梁的端部设有八对电极，纳米谐振梁分别搭接并固定在相应的电极对上，所述纳米谐振梁采用半导体纳米线或半导体纳米管；所述半导体纳米线或半导体纳米管、上金属电极对和下硅电极构成场效应晶体管结构，下硅电极与上金属电极对之间由绝缘层隔开，上金属电极对分别为源极和漏极，下硅电极为门电极。
其中，所述基底、质量块和四根支撑梁为重掺杂单晶硅材料。
其中，所述绝缘层为二氧化硅或氮化硅材料。
其中，所述电极为镉/金材料。
本发明实施例的技术方案还提供一种制造基于纳米谐振器的加速度传感器的方法，所述方法包括以下步骤：S51：对一单晶硅片进行重掺杂，以形成一用作基体电极的掺杂层，光刻并刻蚀形成浅槽；S52：刻蚀形成深槽；S53：在所述单晶硅片上形成绝缘层；S54：在绝缘层上淀积一金属层；S55：刻蚀所述金属层形成谐振器电极；S56：刻蚀所述单晶硅片形成悬空的质量块和四根支撑梁；S57：在支撑梁的电极上组装半导体纳米线或半导体纳米管；S58：将所述半导体纳米线或半导体纳米管固定在相应电极上。
其中，步骤S53具体包括：采用热氧化法在所述单晶硅片表面生长一层二氧化硅或采用低压化学气相沉积法淀积一层氮化硅作为绝缘层。
其中，步骤S57具体包括：采用AFM(Atomic Force Microscope，原子力显微镜)操作、流体排列、电泳或原位生长方法将半导体纳米线或半导体纳米管布置在相应电极上。
本发明实施例的技术方案还提供一种应用权利要求1所述的加速度传感器测量加速度的方法，所述方法包括以下步骤：S81：用信号发生器给出两路具有固定差频的周期性信号分别驱动源极和门电极；S82：通过锁相放大器对从漏极输出的混频电流信号进行检测，获取所述混频电流信号的幅值；S83：调节信号发生器输出信号的频率，重复步骤S81和S82，并比较不同频率下混频电流信号幅值的大小，与最大的混频电流信号幅值对应的频率为纳米谐振梁的谐振频率；S84：根据所述纳米谐振梁的谐振频率，获取半导体纳米线或半导体纳米管的轴向力；S85：根据所述轴向力得到加速度。
其中，在步骤S84中，根据公式 获取轴向力，其中F为轴向力，f为谐振频率，f0为半导体纳米线或半导体纳米管的固有频率，c为纳米梁结构常数；在步骤S85中，根据公式F＝k·a获取加速度，其中F为轴向力，a为加速度，k为加速度传感结构常数。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：
(1)本发明的基于纳米谐振器的加速度传感器是微机电结构与纳米材料的组合，其中采用半导体纳米线或半导体纳米管作为谐振梁，相比与现有的微机械谐振梁，半导体纳米线或半导体纳米管具有较好的机械特性和机电特性，如机械强度高、柔韧性好、机电转换效率高，这些特性可提高传感器的分辨率和精度。
(2)采用半导体纳米线或半导体纳米管作为谐振梁，实现一种场效应晶体管测量结构，可以通过混频锁相技术实现传感器的高灵敏度测量。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于纳米谐振器的加速度传感器的结构示意图；
图2为图1中传感器沿A-A线截面的侧视图；
图3为本发明实施例的一种制造基于纳米谐振器的加速度传感器的方法的流程图；
图4为本发明实施例的一种纳米谐振器的谐振频率检测电路原理图；
图5为本发明实施例的一种测量加速度的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例的一种基于纳米谐振器的加速度传感器的结构如图1所示，其沿A-A线截面的侧视图如图2所示。该加速度传感器包括一个基底1、一个质量块2和四根支撑梁3～6，悬空的质量块2通过四根支撑梁3～6与基底1连接，基底、质量块和四支撑梁为重掺杂单晶硅材料。单晶硅上覆盖有一绝缘层7，该绝缘层7可为二氧化硅或氮化硅等材料。绝缘层7上在四支撑梁的端部设有八对电极，包括电极8～23，这些电极为镉/金(Cr/Au)材料。纳米谐振梁24～31分别搭接并固定在相应的电极对上，如图1所示。纳米谐振梁采用半导体纳米线或纳米管，例如ZnO纳米线、碳纳米管等。纳米谐振梁的尺寸选择为：长度在5μm～20μm之间，其直径在50nm～500nm之间。半导体纳米线或半导体纳米管、上金属电极对和下硅电极构成场效应晶体管结构，下硅电极与上金属电极对之间由绝缘层隔开，上金属电极对分别为源极和漏极，下硅电极为门电极。
本发明实施例的一种制造基于纳米谐振器的加速度传感器的方法如图3所示，该方法包括微机电结构加工和纳米梁组装过程，首先用微机电工艺加工出质量块、四支撑梁、谐振器电极等主体结构，然后采用组装技术将纳米线或纳米管组装在位于支撑梁端部的电极上，并加固。参照图3，本实施例的具体传感器的制作方法包括提供一单晶硅片作为基体，然后沿同一方向在所述基体上顺序进行如下工艺步骤：
步骤(a)：对一单晶硅片32进行1.5～4.0×1016cm-3的重掺杂磷，以形成一用作基体电极的掺杂层(图中未示出)，光刻、电导耦合等离子体(ICP)刻蚀形成浅槽，槽深度为10-20微米；
步骤(b)：ICP刻蚀形成深槽，槽深度为300微米；
步骤(c)：采用热氧化法在基体32上表面生长一层二氧化硅(SiO2)7，或采用低压化学气相沉积法(LPCVD)淀积一层氮化硅(Si3N4)7作为绝缘层；
步骤(d)：在绝缘层上溅射一层镉/金(Cr/Au)薄膜33，薄膜厚度为100-200纳米；
步骤(e)：通过光刻、反应离子刻蚀(RIE)图形化金属层33形成谐振器电极8～23；
步骤(f)：通过光刻、ICP刻蚀形成悬空的质量块2和四支撑梁3～6；
步骤(g)：组装纳米线或纳米管24～31在支撑梁的电极上，可以采用AFM操作、流体排列、电泳或原位生长方法等将纳米线或纳米管布置在相应电极上；
步骤(h)：用聚焦离子束(FIB)把纳米线或纳米管点焊固定在相应电极上。
采用本发明的基于纳米谐振器的加速度传感器进行加速度测量的原理为：当质量块受到加速度作用时，会发生上下移动，使支撑梁产生弯曲变形，梁的变形将带动纳米梁(纳米线或纳米管)在轴向方向上被拉紧或压缩，产生轴向应力，因此纳米梁谐振频率将随之而变化。纳米梁与底电极之间加有一交流电压，交流电压产生的交变静电力用来驱动纳米梁产生振动。纳米梁在振动时，由于场效应，其导电特性会发生变化。通过在纳米梁两端电极加载交流电压，由锁相混频技术检测出纳米梁的振动，从而检测谐振频率，谐振频率的变化即反映了加速度的大小。
本发明实施例的一种纳米谐振器的谐振频率检测电路原理图如图4所示，纳米梁、两上金属电极和下硅电极一起构成了场效应晶体管结构，两上电极分别为源极(S)和漏极(D)，下硅电极为门电极(Gate)。用信号发生器给出两路具有固定差频Δω的周期性信号分别驱动源极(S)和门电极(Gate)，在场效应作用下，从漏极(D)输出混频电流信号，该混频电流信号中的差频Δω分量反映了纳米梁的振动状态。因此，通过锁相放大器对混频电流信号的检测，可以进行纳米梁的动态测量。乘法器为提供一参考信号给锁相放大器，用于Δω混频信号的测量。
本发明实施例的一种测量加速度的方法如图5所示，包括以下步骤：
步骤s501：用信号发生器给出两路具有固定差频的周期性信号分别驱动源极和门电极。纳米谐振梁在门电极的周期性信号(假设频率为ω)的驱动下发生周期性振动，该振动引起半导体纳米梁的电导产生相同频率的周期性变化，又由于在源极上的另一周期性电压信号(其频率与门电极上周期性信号频率相差Δω，即频率为ω+Δω)同时作用在纳米谐振梁上，纳米谐振梁上的电流为其电导与电压的乘积，由此产生Δω混频电流信号。
步骤s502：通过锁相放大器对从漏极输出的混频电流信号进行检测，获取所述混频电流信号的幅值。所述混频电流信号的幅值与纳米谐振梁的振动幅值成正比，因而可以用Δω混频电流信号的幅值反映纳米梁振动的大小，该混频信号通过锁相放大器检测，乘法器为提供一参考信号给锁相放大器用于Δω混频信号的测量。
步骤s503：调节信号发生器输出信号的频率，重复步骤s501和s502，并比较不同频率下混频电流信号幅值的大小，与最大的混频电流信号幅值对应的频率为纳米谐振梁的谐振频率。
步骤s504：根据所述纳米谐振梁的谐振频率，获取半导体纳米梁的轴向力。本实施例中根据公式 获取轴向力，其中F为轴向力，f为谐振频率，f0为半导体纳米线或半导体纳米管的固有频率，c为纳米梁结构常数。
步骤s505：根据所述轴向力得到加速度。本实施例中轴向力大小F与加速度a成正比，根据公式F＝k·a获取加速度，其中F为轴向力，a为加速度，k为加速度传感结构常数。
本发明的基于纳米谐振器的加速度传感器是微机电结构与纳米材料的组合，其中采用半导体纳米线或半导体纳米管作为谐振梁，相比与现有的微机械谐振梁，半导体纳米线或半导体纳米管具有较好的机械特性和机电特性，如机械强度高、柔韧性好、机电转换效率高，这些特性可提高传感器的分辨率和精度。另外，本发明采用半导体纳米线或半导体纳米管作为谐振梁，实现一种场效应晶体管测量结构，可以通过混频锁相技术实现传感器的高灵敏度测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1、一种基于纳米谐振器的加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器包括四根支撑梁、质量块和基底，悬空的质量块通过四根支撑梁与基底连接；基底、质量块和四支撑梁上覆盖有绝缘层，所述绝缘层上在四根支撑梁的端部设有八对电极，纳米谐振梁分别搭接并固定在相应的电极对上，所述纳米谐振梁采用半导体纳米线或半导体纳米管；所述半导体纳米线或半导体纳米管、上金属电极对和下硅电极构成场效应晶体管结构，下硅电极与上金属电极对之间由绝缘层隔开，上金属电极对分别为源极和漏极，下硅电极为门电极。
2、如权利要求1所述的基于纳米谐振器的加速度传感器，其特征在于，所述基底、质量块和四根支撑梁为重掺杂单晶硅材料。
3、如权利要求1所述的基于纳米谐振器的加速度传感器，其特征在于，所述绝缘层为二氧化硅或氮化硅材料。
4、如权利要求1所述的基于纳米谐振器的加速度传感器，其特征在于，所述电极为镉/金材料。
5、一种制造基于纳米谐振器的加速度传感器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S51：对一单晶硅片进行重掺杂，以形成一用作基体电极的掺杂层，光刻并刻蚀形成浅槽；
S52：刻蚀形成深槽；
S53：在所述单晶硅片上形成绝缘层；
S54：在绝缘层上淀积一金属层；
S55：刻蚀所述金属层形成谐振器电极；
S56：刻蚀所述单晶硅片形成悬空的质量块和四根支撑梁；
S57：在支撑梁的电极上组装半导体纳米线或半导体纳米管；
S58：将所述半导体纳米线或半导体纳米管固定在相应电极上。
6、如权利要求5所述的制造基于纳米谐振器的加速度传感器的方法，其特征在于，步骤S53具体包括：
采用热氧化法在所述单晶硅片表面生长一层二氧化硅或采用低压化学气相沉积法淀积一层氮化硅作为绝缘层。
7、如权利要求5所述的制造基于纳米谐振器的加速度传感器的方法，其特征在于，步骤S57具体包括：
采用原子力显微镜操作、流体排列、电泳或原位生长方法将半导体纳米线或半导体纳米管布置在相应电极上。
8、一种应用权利要求1所述的加速度传感器测量加速度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S81：用信号发生器给出两路具有固定差频的周期性信号分别驱动源极和门电极；
S82：通过锁相放大器对从漏极输出的混频电流信号进行检测，获取所述混频电流信号的幅值；
S83：调节信号发生器输出信号的频率，重复步骤S81和S82，并比较不同频率下混频电流信号幅值的大小，与最大的混频电流信号幅值对应的频率为纳米谐振梁的谐振频率；
S84：根据所述纳米谐振梁的谐振频率，获取半导体纳米线或半导体纳米管的轴向力；
S85：根据所述轴向力得到加速度。
9、如权利要求8所述的测量加速度的方法，其特征在于，在步骤S84中，根据公式 获取轴向力，其中F为轴向力，f为谐振频率，f0为半导体纳米线或半导体纳米管的固有频率，c为纳米梁结构常数；
在步骤S85中，根据公式F＝k·a获取加速度，其中F为轴向力，a为加速度，k为加速度传感结构常数。
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