CN102645294B - 基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片及其制备方法，本发明所描述的芯片利用ZnO纳米线作为压力传感器的压电元件，利用ZnO的压电效应将机械能转化为电信号，达到检测压力的目的；由于使用ZnO纳米线作为压电元件，相比于一般压电元件，ZnO纳米线可以利用自身的压电效应以及半导体与金属接触的肖特基接触，实现电荷的积累到释放的过程，因此不需要一般压电元件所需要的高阻抗输出放大电路，此外，通过合成高质量的纳米尺度结构可进一步实现压电式压力传感器的微型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)技术的压力传感器芯片及其制备方法，特别是一种基于ZnO纳米线(ZnOnanowire)阵列的压力传感器芯片及其制备方法。
背景技术
随着传感器技术和MEMS技术的不断进步，有力地促进了压力测量技术的发展，出现了一些基于MEMS技术的压力测量新方法。压电式压力传感器就是诸多测量方法中的一种，基于压电效应的传感器是一种自发电式和机电转换式传感器，它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷，经电荷放大器、阻抗变换和测量电路放大后输出与所受外力成正比的电压信号。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是只能测试动态压力，一般不能测试静态压力，且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路来克服这一缺陷，此外，压电材料还需要防潮、隔离处理。
高密度、定向生长的ZnO纳米线作为一种具有良好压电性质的材料，可用来制备高频纤维声光器件及声光调制器等压电转换器，还可广泛应用在大容量、高速率光纤通信的光纤相位调制、反雷达动态测频、电子侦听、卫星移动通信、并行光信息处理等领域。ZnO既是半导体又有压电效应的特点，能够与金属产生肖特基接触，形成势垒，可解决一般压电元件需要高输入阻抗输出放大电路的问题，为进一步实现压电式压力传感器微型化提供了基础。
发明内容
本发明的目的在于供一种基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片及其制备方法，利用ZnO纳米线结构的特点，通过控制ZnO纳米线生长成合理的微结构，与金属形成肖特基接触，实现电荷积累到释放过程因而不需要高输入阻抗输出的放大电路。
为了实现上述目的，本发明基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片的制备方法采用如下技术方案：
一种基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片的制备方法，包括制备ZnO纳米线压电元件的步骤、制备C型杯弹性元件的步骤和将ZnO纳米线压电元件和C型杯弹性元件结合的步骤；
制备ZnO纳米线压电元件的步骤：
(1)使用HF溶液清洗双面抛光的硅片，并将清洗后的硅片置于等离子处理系统中进行表面处理，等离子体处理的时间为5～20分钟，处理温度为20～300℃，处理完后进行烘干；
(2)在硅片两端淀积氮化硅；
(3)利用硅通孔技术在硅片上利用等离子刻蚀出通孔，通孔直径为20～30μm；
(4)在硅片上和通孔中淀积钛电极，作为ZnO纳米线阵列的下电极，钛电极厚度为5～10nm，长为2～2.5mm，宽为0.4～0.5mm；
(5)在钛电极上表面溅射淀积金层，作为ZnO纳米线阵列的催化层，金层的厚度为20～50nm，长为2～2.5mm，宽为0.4～0.5mm；
(6)在金层上，用含有锌离子的碱性溶液作为反应溶液，在100℃下保温反应4小时，促使ZnO纳米线阵列的生长，然后将剩余的金层蒸发，得到ZnO纳米线阵列，其长为3～5μm，直径为200～500nm，并在完成生长后使用丙酮清洗烘干；
(7)在ZnO纳米线生长成阵列后，利用注塑工艺将PMDS注入将ZnO纳米线阵列包裹；
(8)利用氧离子刻蚀将步骤(7)中注入的PDMS的顶端部分去除，将ZnO纳米线阵列的顶端暴露出来，底端ZnO纳米线仍包裹在PDMS中；
(9)利用等离子刻蚀将两端的氮化硅去除，即得到ZnO纳米线压电元件；
制备C型杯弹性元件的步骤：
(1)使用HF溶液清洗双面抛光的SOI硅片，并将清洗后的SOI硅片置于等离子处理系统中进行表面处理，等离子体处理的时间为5～20分钟，处理温度20～300℃，处理完后进行烘干；
(2)双面淀积氮化硅；
(3)在SOI硅片正面光刻，刻蚀去掉正面中间区域的氮化硅；
(4)采用氢氧化钾各向异性刻蚀单晶硅，并腐蚀至二氧化硅埋层停止，制作出有效硅膜，C型杯的内部能够容纳ZnO纳米线压电元件的ZnO纳米线阵列；
(5)用等离子刻蚀技术刻蚀位于背面的氮化硅；
(6)利用硅通孔技术，在硅片上利用等离子刻蚀出通孔，通孔直径为20～30μm；
(7)在硅片上和通孔中淀积铂电极，作为ZnO纳米线阵列的上电极，铂电极厚度为5～10nm，长为3～3.5mm，宽为0.4～0.5mm；制作完成后即得C型杯弹性元件；
将ZnO纳米线压电元件和C型杯弹性元件结合的步骤：
将制作完成的ZnO纳米线压电元件和C型杯弹性元件，在硅基座和ZnO纳米线压电元件两侧进行硅-硅低温键合，在80～180℃的环境中干燥3～5小时即得基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片。
优选的，将得到的基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片划片得到基于ZnO纳米线阵列的压力传感器的单个管芯。
优选的，所述含有锌离子的碱性溶液为醋酸锌和六亚甲基四氨的水溶液或硝酸锌和六亚甲基四氨的水溶液。
为了实现上述目的，本发明基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片采用如下技术方案：
一种基于ZnO纳米线的压力传感器芯片，包括由括硅基座、有效硅膜、铂电极和上通孔电极组成的C型杯弹性元件和ZnO纳米线阵列、PDMS、钛电极和下通孔电极组成的ZnO纳米线压电元件；其中硅基座由上层单晶硅腐蚀而成；有效硅膜由二氧化硅埋层和下层单晶硅组成，下层单晶硅位于二氧化硅埋层上方；铂电极在于C型杯的内部，位于有效硅膜的下表面；上通孔电极与铂电极连接，通过通孔结构连接外部电路；ZnO纳米线阵列通过金层催化，生长于钛电极之上，顶端部分与铂电极形成肖特基接触，底端部分包裹在PDMS中；钛电极位于硅片之上、ZnO纳米线阵列之下；下通孔电极与钛电极连接，通过通孔结构连接外部电路。
优选的，钛电极厚度为5～10nm；ZnO纳米线阵列的高度为3～5μm，直径为200～500nm；铂电极厚度为5～10nm。
ZnO纳米线阵列上端形成肖基特接触，厚度为5～10nm，长为2～2.5mm，宽为0.4～0.5mm。
所谓肖特基接触是指金属和半导体材料相接触的时候，在界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒，势垒的存在才导致了大的界面电阻。与之对应的是欧姆接触，界面处势垒非常小甚至是没有接触势垒。对于n型半导体，当金属的功函数大于半导体的亲和能的时候，属于肖特基接触，小于它的时候，属于欧姆型接触。
肖特基势垒是金属-半导体接触边界上形成的具有整流作用的区域。当由半导体到金属，电子需要克服势垒；而由金属向半导体，电子受势垒阻挡。在加正向偏置时，半导体一侧的势垒下降；相反，在加反向偏置时，半导体一侧势垒增高，因此使得金属-半导体接触具有整流作用，其整流属性决定于金属的功函数、固有半导体的能隙，以及半导体的掺杂类型及浓度，在本发明中肖特基势垒起到阻碍电子的作用。
所述上通孔电极位于铂电极之上和外界提供连接通道，通孔直径为20～30μm。
所述的ZnO纳米线阵列为n型ZnO纳米线，长为0.5～5μm，直径为200～500nm。
所述PDMS层作为纳米线阵列之间的固定材料，以增强ZnO纳米线的结构稳定性。
所述钛电极位于ZnO纳米线阵列之下，作为下电极使用，厚度为5～10nm，长为2～2.5mm，宽为0.4～0.5mm。
所述下通孔电极位于钛电极之下和外界提供连接通道，通孔直径为20～30μm左右。
本发明的基础理论为：
根据Schottkey.Mott理论，在理想情况下，金属与半导体接触的势垒高度等于金属功函数与半导体功函数之差：
Φb＝Φm-Φn (1)
其中Φb为势垒高度，Φm为金属功函数，Φn为半导体功函数。
势垒的存在导致了大的界面电阻，势垒的高度决定了界面电阻的大小，势垒高度越大，反向饱和电流越小。与一般二极管类似，肖特基接触可以起到整流的作用，具有单向导电的性质，不同的是二极管是利用PN结的单向导电性质，而肖特基接触则是利用肖特基势垒达到单向导电的目的。
常规的压电材料、如压电陶瓷等，通常为绝缘体。尽管将它们弯曲或压缩也能产生电势变化，它们无法与金属形成具有单向导电性质的肖特基势垒，即需要电子去克服的势垒，因此需要借助一个复杂的外接电路来实现电荷积累的过程。
作为n型半导体的ZnO材料既具有压电特性，又能够与金属形成肖特基接触，因此可以利用具有单向导电性质的肖特基势垒，实现电荷积累的过程。
首先，当ZnO纳米线受到挤压时，在压电效应的作用下，Zn2+和O2-发生相对转移产生电势，沿ZnO压缩到拉伸的表面分布，电势分布在Vs+与Vs-之间，在不释放应力和无外部自由电荷的情况下，电势差将保持。
其次，在纳米线底部与顶端的接触是不同的，底部接触是n型ZnO与钛电极的接触，根据肖特基理论，ZnO的电子亲和能为4.5eV，钛的功函数为4.33eV，所以界面处无势垒，即为欧姆接触。在ZnO纳米线顶端与铂电极发生的接触时，铂的功函数为6.1eV，因此铂-ZnO形成肖特基结，即肖特基接触。
在本发明中，起主导作用的是肖特基接触，当铂电极与ZnO被拉伸表面接触时，产生正压Vs+，而铂电极的电势几乎为0，即Vm＝0，ΔV＝Vm-Vs+＜0，相当于加反向电压，因此铂电极和ZnO半导体被拉伸表面在此可看作是一个负偏压的肖特基二极管，因此可以起到积累电荷的作用。
同时，由于ZnO具有比较简单的化学成分与晶体结构，易于合成出一系列不同的纳米结构，并能较好地控制其纯度、尺寸、形貌以及晶体结构，因此可以利用目前的MEMS传感器技术，将合理的弹性元件结构与ZnO纳米线阵列结合形成新的传感器芯片。
本发明所设计的传感器芯片的工作过程如下：在传感器芯片周边固支的条件下，当被测压强直接作用于有效硅膜上并使其变形，如图2所示，有效硅膜将压强传递给ZnO纳米线阵列，ZnO纳米线产生弯曲并与金属铂电极形成肖特基接触。在ZnO纳米线压电效应的作用下，在其表面产生电荷，并在肖特基势垒所产生的界面电阻的作用下，形成电势差，可以直接对两端的电压信号进行测。随压力增大，电压随之增大，压力与电压呈正比关系。
本发明的优点为：
因为ZnO纳米线作为半导体和金属接触而产生的肖基特接触，能够形成大的界面电阻，在压电效应的作用下，可完成电荷积累，形成电势差的目的，根据输出的电压实现压力的测量，减少了一般压电式压力传感器对高输入阻抗电路的需求。
附图说明
图1为本发明ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片的结构截面图；
图2为本发明ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片的受力示意图
图3为本发明ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片的制备工艺流程图；
图中的标号如下表示：
| 1 | 硅基座 | 2 | 有效硅膜 |
| 3 | 铂电极 | 4 | 上通孔电极 |
| 5 | ZnO纳米线阵列 | 6 | PDMS |
| 7 | 钛电极 | 8 | 下通孔电极 |
| 9 | 硅片 | 10 | 金层 |
| 11 | 上层单晶硅 | 12 | 二氧化硅埋层 |
| 13 | 下层单晶硅 | 14 | 氮化硅 |
具体实施方式
下面结合附图，对本发明基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片及其制备方法做详细描述：
请参阅图1所示，本发明基于ZnO纳米线的压力传感器芯片，包括由硅基座1、有效硅膜2、铂电极3和上通孔电极4组成的C型杯弹性元件；其中硅基座1由SOI硅片的上层单晶硅11腐蚀而成；有效硅膜2由SOI硅片的二氧化硅埋层12和下层单晶硅13组成，下层单晶硅13位于二氧化硅埋层12下方；铂电极3在于C型杯的内部，有效硅膜2的下表面；上通孔电极4与铂电极3连接，通过通孔结构连接外部电路。ZnO纳米线阵列5、聚二甲基硅氧烷层(polydimethylsiloxane，PMDS)6、钛电极7和下通孔电极8组成的ZnO纳米线压电元件；其中ZnO纳米线阵列5通过金层催化而成，生长于钛电极7之上，ZnO纳米线阵列5的顶端部分与铂电极3形成肖特基接触，ZnO纳米线阵列5的底端部分包裹在PDMS 6中；钛电极7位于硅片9之上、ZnO纳米线阵列5之下；下通孔电极8与钛电极7连接，通过通孔结构连接外部电路。
本发明的工作过程如下：
本发明所设计的传感器芯片的工作过程如下：在传感器芯片周边固支的条件下，当被测压强P直接作用于有效硅膜2上并使其变形，如图2所示，有效硅膜2将压强传递给铂电极3，铂电极3与ZnO纳米线阵列5作用，ZnO纳米线阵列5产生弯曲并与铂电极3形成肖特基接触。在ZnO纳米线压电效应的作用下，在其表面产生电荷极化，并在肖特基势垒所产生的界面电阻作用下，实现电荷积累，然后对两端的电信号进行测量，实现压强的测量。随着压力增大，电信号随之增大，压力与电信号呈正比关系。
请参阅图3(a)所示，本发明基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片的中ZnO纳米线压电元件的制备方法包括以下步骤：
(1)使用HF溶液清洗双面抛光的硅片9，并将清洗后的硅片置于等离子处理系统中进行表面处理，等离子体处理的时间为5～20分钟，处理温度为20～300℃，为后面的Si-Si低温键合做准备，处理完后进行烘干。
(2)在硅片两端淀积氮化硅14，为后续键合位置提供保护。
(3)利用硅通孔技术在硅片上利用等离子刻蚀出通孔，为后续制作下通孔电极8做准备，通孔直径为20～30μm左右。
(4)在硅片上和通孔中淀积钛电极7，作为ZnO纳米线阵列的下电极，钛电极厚度为5～10nm，长为2～2.5mm，宽为0.4～0.5mm。
(5)在钛电极上表面溅射淀积金层10，作为ZnO纳米线阵列的催化层，金层的厚度为20～50nm，长为2～2.5mm，宽为0.4～0.5mm。
(6)在金层10上，用含有锌离子的碱性溶液作为反应溶液(例如醋酸锌或硝酸锌和六亚甲基四氨的水溶液)，在100℃下保温反应4小时，促使ZnO纳米线阵列5的生长，然后将剩余的金层蒸发，得到ZnO纳米线阵列，其长为0.5～5μm，直径为200～500nm，并在完成生长后使用丙酮清洗烘干。
(7)在ZnO纳米线生长成阵列后，利用注塑工艺将PMDS 6注入将ZnO纳米线阵列包裹，以增强ZnO纳米线的结构稳定性并尽量保证在挤压过程中ZnO纳米线不会大量弯曲在一起。
(8)利用氧离子刻蚀将步骤(7)中注入的PDMS的顶端部分去除，将ZnO纳米线阵列的顶端暴露出来，底端ZnO纳米线仍包裹在PDMS6中。
(9)利用等离子刻蚀将两端的氮化硅去除。
请参阅图3(b)所示，本发明基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片中的C型杯弹性元件的制备方法包括以下步骤：
(1)使用HF溶液清洗双面抛光的SOI硅片，并将清洗后的SOI硅片置于等离子处理系统中进行表面处理，等离子体处理的时间为5～20分钟，处理温度20～300℃，为后面的Si-Si低温键合做准备，处理完后进行烘干。
(2)双面淀积氮化硅14，为后续湿法腐蚀提供掩蔽和保护。
(3)在SOI硅片正面光刻，刻蚀去掉正面中间区域的氮化硅。
(4)采用氢氧化钾各向异性刻蚀上层单晶硅11，并腐蚀至二氧化硅埋层12停止，制作出有效硅膜2，C型杯的内部需要保证能够容纳ZnO纳米线阵列5。
(5)用等离子刻蚀技术刻蚀位于背面的氮化硅。
(6)利用硅通孔技术，在硅片上利用等离子刻蚀出通孔，为后续上通孔电极4做准备，通孔直径为20～30μm左右。
(7)在硅片上和通孔中淀积铂电极3，作为ZnO纳米线阵列的上电极，铂电极厚度为5～10nm，长为3～3.5mm，宽为0.4～0.5mm。
请参阅图3(c)所示，本发明基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片的制备方法包括以下步骤：
(1)将制作完成的ZnO纳米线压电元件和C型杯弹性元件，在硅基座和ZnO纳米线压电元件两侧进行硅-硅低温键合，在80～180℃的环境中干燥3～5小时，最后经过划片得到所设计的基于ZnO纳米线阵列的压力传感器的单个管芯。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片的制备方法，其特征在于：包括制备ZnO纳米线压电元件的步骤、制备C型杯弹性元件的步骤和将ZnO纳米线压电元件和C型杯弹性元件结合的步骤；
制备ZnO纳米线压电元件的步骤：
（1）使用HF溶液清洗双面抛光的硅片，并将清洗后的硅片置于等离子处理系统中进行表面处理，等离子体处理的时间为5～20分钟，处理温度为20～300℃，处理完后进行烘干；
（2）在硅片两端淀积氮化硅；
（3）利用硅通孔技术在硅片上利用等离子刻蚀出通孔，通孔直径为20～30μm；
（4）在硅片上和通孔中淀积钛电极，作为ZnO纳米线阵列的下电极，钛电极厚度为5～10nm，长为2～2.5mm，宽为0.4～0.5mm；
（5）在钛电极上表面溅射淀积金层，作为ZnO纳米线阵列的催化层，金层的厚度为20～50nm，长为2～2.5mm，宽为0.4～0.5mm；
（6）在金层上，用含有锌离子的碱性溶液作为反应溶液，在100℃下保温反应4小时，促使ZnO纳米线阵列的生长，然后将剩余的金层蒸发，得到ZnO纳米线阵列，其长为0.5～5μm，直径为200～500nm，并在完成生长后使用丙酮清洗烘干；
（7）在ZnO纳米线生长成阵列后，利用注塑工艺将PMDS注入将ZnO纳米线阵列包裹；
（8）利用氧离子刻蚀将步骤（7）中注入的PDMS的顶端部分去除，将ZnO纳米线阵列的顶端暴露出来，底端ZnO纳米线仍包裹在PDMS中；
（9）利用等离子刻蚀将两端的氮化硅去除，即得到ZnO纳米线压电元件；
制备C型杯弹性元件的步骤：
（1）使用HF溶液清洗双面抛光的SOI硅片，并将清洗后的SOI硅片置于等离子处理系统中进行表面处理，等离子体处理的时间为5～20分钟，处理温度20～300℃，处理完后进行烘干；
（2）双面淀积氮化硅；
（3）在SOI硅片正面光刻，刻蚀去掉正面中间区域的氮化硅；
（4）采用氢氧化钾各向异性刻蚀单晶硅，并腐蚀至二氧化硅埋层停止，制作出有效硅膜，C型杯的内部能够容纳ZnO纳米线压电元件的ZnO纳米线阵列；
（5）用等离子刻蚀技术刻蚀位于背面的氮化硅；
（6）利用硅通孔技术，在硅片上利用等离子刻蚀出通孔，通孔直径为20～30μm；
（7）在硅片上和通孔中淀积铂电极，作为ZnO纳米线阵列的上电极，铂电极厚度为5～10nm，长为3～3.5mm，宽为0.4～0.5mm；制作完成后即得C型杯弹性元件；
将ZnO纳米线压电元件和C型杯弹性元件结合的步骤：
（1）将制作完成的ZnO纳米线压电元件和C型杯弹性元件，在硅基座和ZnO纳米线压电元件两侧进行硅—硅低温键合，在80～180℃的环境中干燥3～5小时即得基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将得到的基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片划片得到基于ZnO纳米线阵列的压力传感器的单个管芯。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有锌离子的碱性溶液为醋酸锌和六亚甲基四氨的水溶液或硝酸锌和六亚甲基四氨的水溶液。
4.一种基于ZnO纳米线的压力传感器芯片，其特征在于：包括由硅基座（1）、有效硅膜（2）、铂电极（3）和上通孔电极（4）组成的C型杯弹性元件和ZnO纳米线阵列（5）、PDMS（6）、钛电极（7）和下通孔电极（8）组成的ZnO纳米线压电元件；其中硅基座（1）由上层单晶硅（11）腐蚀而成；有效硅膜（2）由二氧化硅埋层（12）和下层单晶硅（13）组成，下层单晶硅（13）位于二氧化硅埋层（12）上方；铂电极（3）在于C型杯的内部，位于有效硅膜（2）的下表面；上通孔电极（4）与铂电极（3）连接，通过通孔结构连接外部电路；ZnO纳米线阵列（5）通过金层催化，生长于钛电极（7）之上，顶端部分与铂电极（3）形成肖特基接触，底端部分包裹在PDMS（6）中；钛电极（7）位于硅片（9）之上、ZnO纳米线阵列（5）之下；下通孔电极（8）与钛电极（7）连接，通过通孔结构连接外部电路。
5.如权利要求4所述的基于ZnO纳米线的压力传感器芯片，其特征在于：钛电极厚度为5～10nm；ZnO纳米线阵列为n型ZnO纳米线阵列，长为0.5～5μm，直径为200～500nm；铂电极厚度为5～10nm。
6.如权利要求4所述的基于ZnO纳米线的压力传感器芯片，其特征在于：上通孔电极位于铂电极之上为外界提供连接通道，通孔直径为20～30μm；下通孔电极位于钛电极之下为外界提供连接通道，通孔直径为20～30μm。
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