CN104236593A - 伸展模态传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种伸展模态传感器及其制造方法，所述伸展模态传感器至少包括：左右对称的两个质量块；互相平行、左右对称并可在平面内伸缩的两个微梁；所述微梁中形成有离子注入区；所述微梁两端分别与两个质量块连接；两个支撑台；所述支撑台阶一端往顶端方向逐渐缩小并与所述微梁中部外侧连接并使得所述质量块与所述微梁悬空；所述质量块上的金属连线将两根微梁中的离子注入区同侧两端连接起来；所述支撑台上的金属连线一端连接所述微梁中的离子注入区中部；所述质量块上的金属连线外侧区域形成有具有统一振幅的敏感膜。本发明的传感器工作在平面内伸展模态，统一的振幅提高了传感器的线性度和可重复性，实现了精确测量。

Description

伸展模态传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于微纳传感器领域，涉及一种传感器，特别是涉及一种伸展模态传感器及其制造方法。

背景技术

谐振式微机械悬臂梁生化传感器作为一种重要的生化检测手段，具有快速、便宜、易于使用和高灵敏度的特点，在环境监测、食品工业、医学诊断、国家安全等方面有着广泛的应用。这类生化传感器都是基于对被检测物的特异性吸附增加其有效质量，使得传感器的谐振频率下降，从而得到传感器的输出响应。由于易于驱动，制作工艺简单的特点，谐振式传感器报道目前主要集中于平面外弯曲模态（Applied Physics Letter,2005,86,233501;Reviewof Scientific Instruments,2008,79,074301）。

根据谐振式传感器的工作原理，其输出响应正比于吸附分子所增加的有效质量。谐振器可以等效为一个弹簧质量块模型x＝Asin(ωt+α)，ω是其谐振频率，A是等效振幅，α是相位。其谐振频率可以通过能量守恒原理得到：一个质量为m0的分子被吸附于振幅为A′的位置，那么该系统势能最大值为动能最大值为根具能量守恒原理有E_K,max＝E_P,max，得到所以增加的有效质量与振幅的平方成正比。目前报道的谐振式传感器所利用的弯曲模态的振型在各处振动幅值不同，所以吸附的分子在传感器敏感区域的分布会给传感器带来不同的频率响应，降低了传感器的可重复性和输出响应的线性度，不利于精确检测。

鉴于此，如何制作出一种传感器，以克服现有技术中谐振式传感器所利用的弯曲模态的振型在各处振动幅值不同，造成传感器可重复性和输出响应的线性度降低，不利于精确检测的缺点，成为目前亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种伸展模态传感器及其制造方法，用于解决现有技术中的传感器的可重复性不高、输出相应线性度低、不利于精确检测的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种伸展模态传感器的制造方法，至少包括以下步骤：

1）提供一衬底，在所述衬底表面形成一图形化氧化层；所述图形化氧化层包括左右对称的两个质量块区域、互相平行且左右对称的两个微梁区域及两个支撑台区域；所述微梁区域两端分别与两个质量块区域连接；所述支撑台区域一端往顶端方向逐渐缩小并与所述微梁区域中部外侧连接；

2）在所述微梁区域中进行离子注入，注入深度到达所述图形化氧化层下的衬底中，形成离子注入区；

3）刻蚀所述图形化氧化层周围的衬底至预设深度；

4）在所述质量块区域及所述支撑台区域上形成金属连线；所述质量块区域上的金属连线将两根微梁区域下方的离子注入区同侧两端连接起来；所述支撑台区域上的金属连线一端连接所述微梁区域下方的离子注入区中部；

5）在所述金属连线上形成绝缘层；所述绝缘层覆盖所述金属连线；

6）在所述质量块区域上的金属连线外侧区域形成具有统一振幅的敏感膜；

7）刻蚀所述衬底背面，形成悬空的质量块、悬空并可在平面内伸缩的微梁及与所述微梁连接的支撑台；所述质量块、微梁及支撑台的位置分别与所述质量块区域、微梁区域及支撑台区域的位置相对应。

可选地，所述绝缘层覆盖所述金属连线及其外侧区域的图形化氧化层，所述敏感膜形成于所述金属连线外侧的绝缘层上。

可选地，所述绝缘层仅覆盖所述金属连线，所述敏感膜形成于所述金属连线外侧的图形化氧化层上。

可选地，所述敏感膜下方还包括一金属层；所述金属层的材料包括Au、Pt、Cu、Al、Ag中的至少一种。

可选地，所述微梁通过电热驱动在平面内伸缩。

可选地，所述敏感膜为气体敏感膜。

可选地，所述衬底为SOI衬底。

本发明还提供一种伸展模态传感器，所述伸展模态传感器至少包括：

左右对称的两个质量块；

互相平行、左右对称并可在平面内伸缩的两个微梁；所述微梁中形成有离子注入区；所述微梁两端分别与两个质量块连接；

两个支撑台；所述支撑台一端往顶端方向逐渐缩小并与所述微梁中部外侧连接并使得所述质量块与所述微梁悬空；

金属连线，形成于所述质量块及所述支撑台上；所述质量块上的金属连线将两根微梁中的离子注入区同侧两端连接起来；所述支撑台上的金属连线一端连接所述微梁中的离子注入区中部；

绝缘层，覆盖所述金属连线；

敏感膜，形成于所述质量块上的金属连线外侧区域并具有统一振幅。

可选地，所述伸展模态传感器工作在平面内伸展模态。

可选地，所述伸展模态传感器为气体传感器。

如上所述，本发明的伸展模态传感器及其制造方法，具有以下有益效果：传感器工作在平面内伸展模态，统一的振幅提高了传感器的线性度和可重复性，实现了精确测量。利用本发明的伸展模态传感器检测气体，可实现ppm量级的实时快速可重复性的精确检测。本发明的伸展模态传感器的制造方法具有易于操作、造价低廉、可以批量生产、方法先进的优点。

附图说明

图1显示为本发明的伸展模态传感器的制造方法中在衬底上形成氧化层的剖面示意图。

图2显示为本发明伸展模态传感器的制造方法中在衬底表面形成图形化氧化层的俯视图。

图3显示为本发明的伸展模态传感器的制造方法中进行离子注入后图2的A-A向剖面示意图。

图4显示为本发明的伸展模态传感器的制造方法中进行离子注入后图2的B-B向剖面示意图。

图5显示为本发明的伸展模态传感器的制造方法中刻蚀所述图形化氧化层周围的衬底至露出所述埋氧层的俯视图。

图6显示为本发明的伸展模态传感器的制造方法中继续刻蚀所述图形化氧化层周围的衬底至露出背衬底并在所述质量块区域及所述支撑台区域上形成金属连线的俯视图。

图7显示为图6的C-C向剖视图。

图8显示为图6的D-D向剖视图。

图9显示为本发明的伸展模态传感器的制造方法中绝缘层覆盖金属连线但不覆盖其外侧区域的氧化层的剖面示意图。

图10显示为本发明的伸展模态传感器的制造方法中述绝缘层覆盖金属连线及其外侧区域的氧化层的剖面示意图。

图11显示为本发明的伸展模态传感器的制造方法中在质量块区域上的金属连线外侧区域形成敏感膜的剖面示意图。

图12显示为图11的俯视图。

图13显示为本发明的伸展模态传感器的制造方法中刻蚀衬底背面，形成悬空的质量块、悬空的微梁及与所述微梁连接的支撑台的剖面示意图。

图14显示为本发明的伸展模态传感器的立体示意图。

图15显示为本发明的伸展模态传感器的扫描电镜照片。

图16显示为本发明的伸展模态传感器的谐振特性曲线。

图17显示为本发明的伸展模态传感器对ppm量级的氨气检测结果。

图18显示为本发明的伸展模态传感器的响应速度特性。

图19显示为本发明的伸展模态传感器的线性度曲线。

元件标号说明

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图19。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

本发明提供一种伸展模态传感器的制造方法，至少包括以下步骤：

步骤1），请参阅图1及图2，提供一衬底1，在所述衬底1表面形成一图形化氧化层3；所述图形化氧化层3包括左右对称的两个质量块区域31、互相平行且左右对称的两个微梁区域32及两个支撑台区域33；所述微梁区域32两端分别与两个质量块区域31连接；所述支撑台区域33一端往顶端方向逐渐缩小并与所述微梁区域32中部外侧连接；

具体的，左右对称的两个质量块区域31指的是两个质量块区域31沿两根微梁区域中心连线左右对称分布；互相平行且左右对称的两个微梁区域32中的左右对称同理。

具体的，所述衬底为半导体衬底，本实施例中以SOI衬底为例进行说明。如图1所示，所述衬底1自下而上依次包括背衬底11、埋氧层12及顶层硅13。所述图形化氧化层2的形成方法如下：首先在所述衬底1上形成一氧化层2，然后通过湿法腐蚀形成所述图形化氧化层3（如图2所示）。其中，所述氧化层2可通过热氧化等方法形成，本实施例中，所述氧化层2为氧化硅层。

步骤2），请参阅图3及图4，在所述微梁区域32中进行离子注入，注入深度到达所述图形化氧化层3下的衬底1中，形成离子注入区4；

具体的，离子注入的目的是在所述微梁区域32下的衬底1中形成P型掺杂，图3及图4中显示了离子注入区4，其中，图3显示为进行离子注入后图2的A-A向剖面示意图，图4显示为进行离子注入后图2的B-B向剖面示意图。本实施例中，注入的离子为硼离子，注入离子后再经1000℃氮气气氛中退火30分钟以活化注入的硼离子。在另一标准基片上采用四探针法测量方块电阻，结果显示此条件下得到的离子注入区的方块电阻约为120欧，即微梁区域下方的衬底具有导电性。

需要指出的是，所述微梁区域两端及中部下的衬底附近区域由于离子扩散也会分布有离子，同样具有导电特性。

步骤3），请参阅图5及图6，刻蚀所述图形化氧化层3周围的衬底1至预设深度；

由于本实施中，所述衬底1为SOI衬底，刻蚀时，首先从所述衬底1正面刻蚀掉所述图形化氧化层3周围的所述顶层硅13直至露出所述埋氧层12（如图5所示），再刻蚀所述埋氧层12直至露出所述背衬底11（如图6所示）。具体的，可采用反应离子刻蚀等方法进行刻蚀。

步骤4），请参阅图6、图7及图8，在所述质量块区域31及所述支撑台区域33上形成金属连线5；所述质量块区域31上的金属连线5将两根微梁区域32下方的离子注入区4同侧两端连接起来；所述支撑台区域33上的金属连线一端连接所述微梁区域32下方的离子注入区4中部；其中图6显示为形成金属连线后器件的俯视图，图7显示为图6的C-C向剖视图，图8显示为图6的D-D向剖视图。

具体的，所属金属连线5可先通过在器件表面溅射形成金属连线材料层，再通过腐蚀得到引线形状。所述金属连线5可由钛层与金层组成，其中钛层作为金层与其下半导体层的粘附层，在其它实施例中，所述金属连线5也可为其他导电材料。

具体的，所述金属连线5端部通过过孔与所述离子注入区4连接（如图7及图8所示）。如前所述，所述微梁区域两端及中部下的衬底附近区域由于离子扩散也会分布有离子，同样具有导电特性，因此所述金属连线能够通过端部与所述离子注入区连接起来，从而形成一并联回路，其中所述微梁区域下方的离子注入区可等效为两个相同的电阻，从两个支撑台区域33上的金属连线上加入电信号，即可通电使得离子注入区发热，从而产生热胀冷缩，可等效为可伸缩的弹簧。

步骤5），请参阅9及图10，在所述金属连线5上形成绝缘层6；所述绝缘层覆盖所述金属连线6；

具体的，所述绝缘层6仅覆盖所述金属连线5但不覆盖其外侧区域的图形化氧化层3（如图9所示），所述绝缘层6也可以覆盖所述金属连线5及其外侧区域的图形化氧化层3（如图10所示），本实施例中优选后者方案。

步骤6），请参阅图11及图12，在所述质量块区域上的金属连线5外侧区域形成具有统一振幅的敏感膜7；

具体的，对于所述绝缘层6覆盖所述金属连线5但不覆盖其外侧区域的图形化氧化层3的情况，所述敏感膜7形成于所述金属连线5外侧的图形化氧化层上（未图示）；对于所述绝缘层6覆盖所述金属连线5及其外侧区域的图形化氧化层3的情况，所述敏感膜7形成于所述金属连线5外侧的绝缘层6上（如图11所示）。图12显示为图11的俯视图。为了更好的表示金属连线5与所述敏感膜7的位置关系，图中将绝缘层下的金属连线用虚线图示意出来了。

具体的，所述敏感膜7可为气体敏感膜等，可用于对氨气等气体的检测。需要指出的是，可根据不同的需求更改所述敏感膜7的成分，用以对特定气体等进行检测，不应过分限制本发明的保护范围。

具体的所述敏感膜7可通过涂敷、沉积等方法形成，可直接形成于所述图形化氧化层或绝缘层上，也可先形成一层金属层，再在所述金属层上方形成所述敏感膜。所述金属层的材料包括Au、Pt、Cu、Al、Ag中的至少一种。本实施例中优选在金膜上形成所述敏感膜，其中，在形成金膜之前还形成了一层铬层，所述铬层作为金膜与半导体层之间的粘附层；所述金膜可作为化学检测时自组装单分子膜的修饰区域。

步骤7），请参阅图13及图14，刻蚀所述衬底1背面，形成悬空的质量块8、悬空的微梁9及与所述微梁连接的支撑台10；所述质量块8、微梁9及支撑台10的位置分别与所述质量块区域31、微梁区域32及支撑台区域33的位置相对应。其中，图13是在图11的基础上进行的，其剖视方向可参考图6中的D-D方向。本实施例中所述衬底1为SOI衬底，所述质量块8及微梁9下方及周围的背衬底硅11被刻蚀掉，所述支撑台10下方的背衬底硅11被保留。至此，制造得到了一种伸展模态传感器，图14显示了采用本发明的方法制造得到的伸展模态传感器的立体图。

具体的，所述微梁可通过电热驱动在平面内伸缩，从而带动所述质量块在平面内伸展振动，其操作方法是通过在两个支撑台区域33上的金属连线上加入驱动信号如交流信号，由于通电时微梁中的离子注入区发热，从而使得所述微梁产生热胀冷缩，所述进而带动所述质量块在平面内做伸展运动。本发明可通过激励微梁工作在平面内伸展模态，利用伸展模态各处振幅统一的特点（敏感膜各处具有统一的振幅），可实现了高重复性精确化学气体检测。

实施例2

本发明还提供一种伸展模态传感器，请参阅图14，所述伸展模态传感器至少包括：

左右对称的两个质量块8；

互相平行、左右对称并可在平面内伸缩的两个微梁9；所述微梁9中形成有离子注入区；所述微梁9两端分别与两个质量块8连接；

两个支撑台10；所述支撑台10一端往顶端方向逐渐缩小并与所述微梁9中部外侧连接并使得所述质量块与所述微梁悬空；

金属连线5，形成于所述质量块8及所述支撑台9上；所述质量块8上的金属连线5将两根微梁9中的离子注入区同侧两端连接起来；所述支撑台10上的金属连线5一端连接所述微梁9中的离子注入区中部；

绝缘层6，覆盖所述金属连线5；

敏感膜7，形成于所述质量块8上的金属连线5外侧区域并具有统一振幅。

具体的，所述伸展模态传感器工作在平面内伸展模态，所述敏感膜各处具有统一的振幅。所述伸展模态传感器可为气体传感器。请参阅图15，显示为本发明的伸展模态传感器的扫描电镜照片。

图16显示为本发明的伸展模态传感器的谐振特性曲线，根据谐振特性曲线可知，本发明的伸展模态传感器具有高谐振Q值和高灵敏度。本发明的伸展模态传感器工作在平面内伸展模态，可以将在空气中的压膜阻尼转为较小的滑膜阻尼，具有较高谐振Q值。平面内伸展模态同时是一种高阶振动模态，具有较高的谐振频率和灵敏度。平面内伸展模态的振型在质量块各处有统一的振幅，因而在质量块敏感膜上各点具有统一的灵敏度。由于具有统一的灵敏度，频率漂移与分子吸附的位置无关，可以消除敏感材料不均匀性带来的影响，具有可重复性和较高的一致性。由于具有统一的灵敏度，输出的频率漂移只于吸附气体分子的数量成正比，具有较高的线性度，可用于精确检测。

实施例3

本实施例中采用本发明的伸展模态传感器进行氨气检测。基于平面内对称式伸展谐振式结构的可用于ppm（即体积比为一百万分之一）量级的氨气检测的MEMS传感器

氨气广泛存在于家畜，室内空气，化工厂等地方。目前已经有很多方法测量高浓度的氨气，但是对痕量氨气的检测仍然非常的困难。本实例利用羧基于氨气之间的相互作用力，利用羧基功能化介孔纳米颗粒作为敏感材料（敏感膜），涂覆在金膜表面，制成痕量氨气传感器。羧基功能化介孔纳米颗粒的制造方法参见发明专利：具有螺旋孔道的羧基功能化介孔纳米颗粒的制造方法（专利申请号：201210306247.7）。其具体过程如下：称取10毫克羧基功能化介孔纳米颗粒置于1毫升去离子水中，以超声波（超声波仪器购于上海波龙电子设备有限公司，型号：USC-202）制得羧基功能化介孔孔纳米颗粒的悬浊液。在光学显微镜（购于Leica公司，型号：DM4000）下，利用显微操作系统（购于Eppendorf公司，型号：PatchMan NP2）将羧基功能化介孔纳米颗粒的悬浊液精确涂敷于微梁左右敏感区域金膜上，得到介孔纳米材料敏感膜。为提高传感器性能，应尽量使得左右涂覆的介孔纳米颗粒基本相等。置于80℃的烘箱中老化2小时，即可制得以羧基功能化介孔纳米颗粒为敏感材料的伸展型谐振式微悬臂梁氨气传感器。

图17显示为本发明的伸展模态传感器对ppm量级的氨气检测结果，从中可以看出，谐振频率每1ppm下降30Hz，并且在去除氨气后能迅速恢复。图18显示为本发明的伸展模态传感器的响应速度特性，从图中可看出本发明的传感器具有快速的响应速度（<10S），图19显示本发明的传感器有极高的线性度（R=0.99953）。

本发明的伸展模态传感器用于氨气检测响应速度快，灵敏度高，并且能够精确测量痕量氨气的浓度的特点，同类产品中处于较高水平。

综上所述，本发明的伸展模态传感器工作在平面内伸展模态，质量块敏感膜上各处具有统一的振幅，输出信号（频率的漂移）只与吸附分子的数量有关而与分布无关，提高了传感器的可重复性和线性度。同时，在空气中伸展模态将压膜阻尼转化为较小滑膜阻尼，提高了谐振Q值，且高阶的伸展振动模态同时也提高了传感器的灵敏度。本发明的伸展模态传感器的制造方法还具有易于操作、造价低廉、可以批量生产、方法先进的优点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种伸展模态传感器的制造方法，其特征在于，所述伸展模态传感器的制造方法至少包括以下步骤：

1）提供一衬底，在所述衬底表面形成一图形化氧化层；所述图形化氧化层包括左右对称的两个质量块区域、互相平行且左右对称的两个微梁区域及两个支撑台区域；所述微梁区域两端分别与两个质量块区域连接；所述支撑台区域一端往顶端方向逐渐缩小并与所述微梁区域中部外侧连接；

2）在所述微梁区域中进行离子注入，注入深度到达所述图形化氧化层下的衬底中，形成离子注入区；

3）刻蚀所述图形化氧化层周围的衬底至预设深度；

4）在所述质量块区域及所述支撑台区域上形成金属连线；所述质量块区域上的金属连线将两根微梁区域下方的离子注入区同侧两端连接起来；所述支撑台区域上的金属连线一端连接所述微梁区域下方的离子注入区中部；

5）在所述金属连线上形成绝缘层；所述绝缘层覆盖所述金属连线；

6）在所述质量块区域上的金属连线外侧区域形成具有统一振幅的敏感膜；

7）刻蚀所述衬底背面，形成悬空的质量块、悬空并可在平面内伸缩的微梁及与所述微梁连接的支撑台；所述质量块、微梁及支撑台的位置分别与所述质量块区域、微梁区域及支撑台区域的位置相对应。

2.根据权利要求1所述的伸展模态传感器的制造方法，其特征在于：所述绝缘层覆盖所述金属连线及其外侧区域的图形化氧化层，所述敏感膜形成于所述金属连线外侧的绝缘层上。

3.根据权利要求1所述的伸展模态传感器的制造方法，其特征在于：所述绝缘层仅覆盖所述金属连线，所述敏感膜形成于所述金属连线外侧的图形化氧化层上。

4.根据权利要求1所述的伸展模态传感器的制造方法，其特征在于：所述敏感膜下方还包括一金属层；所述金属层的材料包括Au、Pt、Cu、Al、Ag中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的伸展模态传感器的制造方法，其特征在于：所述微梁通过电热驱动在平面内伸缩。

6.根据权利要求1所述的伸展模态传感器的制造方法，其特征在于：所述敏感膜为气体敏感膜。

7.根据权利要求1所述的伸展模态传感器的制造方法，其特征在于：所述衬底为SOI衬底。

8.一种伸展模态传感器，其特征在于：所述伸展模态传感器至少包括：

左右对称的两个质量块；

互相平行、左右对称并可在平面内伸缩的两个微梁；所述微梁中形成有离子注入区；所述微梁两端分别与两个质量块连接；

两个支撑台；所述支撑台阶一端往顶端方向逐渐缩小并与所述微梁中部外侧连接并使得所述质量块与所述微梁悬空；

金属连线，形成于所述质量块及所述支撑台上；所述质量块上的金属连线将两根微梁中的离子注入区同侧两端连接起来；所述支撑台上的金属连线一端连接所述微梁中的离子注入区中部；

绝缘层，覆盖所述金属连线；

敏感膜，形成于所述质量块上的金属连线外侧区域并具有统一振幅。

9.根据权利要求8所述的伸展模态传感器，其特征在于：所述伸展模态传感器工作在平面内伸展模态。

10.根据权利要求8所述的伸展模态传感器，其特征在于：所述伸展模态传感器为气体传感器。