CN1240994C - 一种微悬臂梁传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微悬臂梁传感器及其制作方法，它包括一芯片，所述芯片上设置有至少一组传感单元，所述传感单元由组成惠斯通电桥的四个完全相同的力敏电阻和两个悬臂梁组成，其中两个所述力敏电阻位于所述芯片的衬底上，另外两个电阻分别位于所述两悬臂梁上，其中一个所述悬臂梁作为测量悬臂梁，另一个所述悬臂梁作为参考悬臂梁，在所述芯片上设置有一微槽，所述悬臂梁设置在所述微槽内，所述力敏电阻的材料采用单晶硅或多晶硅，在所述单晶硅或多晶硅正面掺杂有硼离子，在所述力敏电阻上、下表面设置有氮化硅或氧化硅保护层，共同组成所述悬臂梁，所述悬臂梁上具有一窗口，使所述悬臂梁呈U形设置在所述芯片上，所述测量悬臂梁表面设置有敏感层。本发明在环境监测，临床的诊断和治疗、新药开发、食品安全、工业加工控制、军事等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种微悬臂梁传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种传感器及其制作方法，特别是关于一种悬臂梁呈U形应用于生物、化学传感中的的微悬臂梁传感器及其制作方法。

背景技术

过去的20年里，微电子技术最显著的进步之一是新的测试技术的发展。扫描探针显微镜是众所周知的检测技术之一，其中扫描隧道显微镜和扫描力显微镜是最具代表性的两种高灵敏度的检测仪器。扫描力显微镜的工作原理是将探针固定在一个对微弱力非常敏感的微悬臂梁上，并使之与待测样品表面原子之间存在力的相互作用，作用在探针与样品之间的力使悬臂梁发生形变，并被记录下来，由于微悬臂梁对微弱力的变化非常敏感，因此可以高分辨率成像材料表面形貌，研究表面性质。

悬臂梁的微小弯曲通常由光学或电学方法来记录。光学检测方法可以获得小至0.01的垂直分辨率，其虽然具有较高的灵敏度，但庞大的光学测量系统及激光的精密校准限制了其广泛的应用：如超高真空、低温、液态条件下和阵列式悬臂梁测量中。摆脱这一问题的方法是集成电容、压电、力敏元件于悬臂梁中的电学检测方法，因为电学检测方法比光学方法更易于操作，易于转向实用化。在电学检测方法中，压阻式在位读出方法比其它检测技术更易于实现。

近年来，将高灵敏度的微悬臂梁技术应用于生物、化学传感器成为传感器领域的研究热点。这类传感器可以在气态或液态条件下，探测微量生化分子的存在，如空气中的有机气体、有害气体、芳香剂，液体的DNA、蛋白质等。尽管悬臂梁生化传感器的研究工作取得了一些成果，但是离广泛应用还有一定距离，特别是在液态生物传感器的研究领域。同时，在悬臂梁式微传感器的制作工艺上还存在着制作工艺较复杂，成品率较低等问题。

发明内容

本发明的目的是在现有技术的基础上提供一种测量灵敏度更高，制作工艺更简单的应用于生物、化学传感中的微悬臂梁传感器及其制作方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种微悬臂梁传感器，它包括一芯片，所述芯片上设置有至少一组传感单元，所述传感单元由组成惠斯通电桥的四个完全相同的力敏电阻和两个悬臂梁组成，其中两个所述力敏电阻位于所述芯片的衬底上，另外两个分别位于所述两悬臂梁上，其中一个作为测量悬臂梁，另一个作为参考悬臂梁，其特征在于：在所述芯片上设置有一微槽，所述悬臂梁设置在所述微槽内，所述力敏电阻的材料采用单晶硅或多晶硅，在所述单晶硅或多晶硅正面掺杂有硼离子，在所述力敏电阻上、下表面设置有氮化硅或氧化硅保护层，共同组成所述悬臂梁，每一所述悬臂梁上具有一窗口，使所述悬臂梁呈U形设置在所述芯片上，所述测量悬臂梁表面设置有敏感层。

所述敏感层为高分子敏感材料。

所述敏感层为生物活性分子。

所述悬臂梁长50～500μm，宽10～100μm，厚100～5000nm，所述窗口两侧的U形臂长20～200μm，宽5～50μm。

所述力敏电阻尺寸为长20～200μm，宽5～50μm。

上述微悬臂梁传感器的制作方法，其特征在于它包括以下步骤：

1、采用具有氧化层、单晶硅器件层的SOI硅片，并减薄器件层作为芯片衬底；或者采用单面抛光p型硅片，进行常规清洗后，在硅片表面等离子体增强化学气相淀积氮化硅，然后在氮化硅表面低压化学汽相淀积多晶硅作为芯片衬底；

2、对单晶硅或多晶硅正面硼离子注入进行掺杂；

3、用掩膜板对经步骤2的芯片进行第一次光刻，经刻蚀，形成力敏电阻；

4、对经步骤3的芯片表面通过等离子体增强化学气相淀积氮化硅，然后在氮气中退火；

5、用掩膜板对经步骤4的芯片进行第二次光刻，经刻蚀，形成力敏电阻接触孔和U形悬臂梁的臂及窗口；

6、对经步骤5的芯片表面通过电子束，溅射铬/金双金属膜；

7、用掩膜板对经步骤6的芯片进行第三次光刻，经腐蚀，形成连接各力敏电阻的金属线；

8、在整个芯片上进行单个传感器的划片；

9、用氢氧化钾腐蚀经步骤8的芯片，释放悬臂梁；

10、对芯片上力敏电阻接触孔内的金属线与芯片衬底进行合金处理；

11、将整个芯片裂片为单个传感器；

12、在每两个悬臂梁中的一个悬臂梁表面设置敏感层。

其中步骤5，在形成力敏电阻接触孔和U形悬臂梁的臂及窗口的同时形成芯片上的微槽。

其中步骤1，SOI硅片的氧化层厚度为200～800nm，器件层厚度为100～500nm。

其中步骤1，在硅片表面进行等离子体增强化学气相淀积氮化硅时，氮化硅的厚度为100～1000nm。

其中步骤1，在低压化学汽相淀积多晶硅时，多晶硅的厚度为100～500nm。

其中步骤2，对单晶硅或多晶硅正面硼离子注入进行掺杂时，注入硼离子的浓度为5×10¹³cm^-2～5×10¹⁵cm^-2，注入能量30keV～80keV。

其中步骤4，等离子体增强化学气相淀积氮化硅时，氮化硅厚度为100～1000nm，然后在氮气中900～1100℃退火20～30分钟。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在现有矩形悬臂梁的基础上，设置了一窗口，使悬臂梁整体呈U形，与固定支点的连接部位更为狭窄，因此，其与使用相同工艺制作出的矩形悬臂梁相比，灵敏度提高了接近2倍。2、本发明由于将惠斯通电桥中的两电阻分别设置在两悬臂梁上，一个作为测量电阻，另一个作为参考电阻，而不是将参考电阻设置在芯片的衬底上，因此测量时，当外部环境噪声使悬臂梁形变时，这个附加的信号可以通过参考悬臂梁被滤掉，使测量结果更加精确。3、本发明的悬臂梁呈阵列式排列，且以相邻的两悬臂梁为一组，因此可以通过在悬臂梁上涂设不同的高分子敏感层、生物活性分子，使每一对悬臂梁都可以通过敏感层完成一种测量功能，进而可以实现对不同物质各种特性指标的同时测量。4、本发明在悬臂梁的制作工艺中，将金属引线与力敏电阻连接的接触孔、U形悬臂梁的臂和芯片上的微槽采用同一块掩膜板定义，亦即在本发明中仅采用了三个掩膜板，相比现有技术，本发明有效地简化了工艺流程。5、本发明由于选用金作为金属引线，因此可以抵抗长时间的KOH腐蚀，同时由于采用先划片后KOH腐蚀的方法，有效地避免了释放完悬臂梁后再划片造成的悬臂梁损坏，进而有效地提高了成品率。6、本发明可以通过正面腐蚀技术和硅～玻璃(聚合物)键合技术将悬臂梁设计、制备在液体可流动的微槽中，这样可直接用于液态生物分子的检测。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明惠斯通电桥示意图

图3是本发明包括两个一侧悬臂梁放大示意图

图4a～4j是本发明工艺流程示意图

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明属于压阻式微传感器，它包括一芯片1，其上设置有一微槽2，在微槽2两侧对称设置有四组传感单元3，每组传感单元3包括两个悬臂梁4和一组惠斯通(Wheatstone)电桥5。每组惠斯通电桥5由四个完全相同的力敏电阻R1、R2、R3、R4组成，将其中两个电阻R1、R4分别连接在两悬臂梁4上，一个作为测量悬臂梁4’，另一个作为参考悬臂梁4”。再将另外两个电阻R2、R3分别连接在芯片1的衬底上。将参考电阻R4设计在参考悬臂梁4”上，而不是设置在芯片1衬底上是考虑当外部环境噪声及热机械震动噪声使悬臂梁4形变时，这个附加的信号可以通过参考悬臂梁4”滤掉。传统的悬臂梁多设计成矩形，为了提高悬臂梁的测量灵敏度，本发明根据计算和模拟实验，在矩形的悬臂梁上开了一个窗口6，使其形成一U形悬臂梁4(如图2所示)，悬臂梁4通过两伸出臂与固定支点连接，其与普通矩形悬臂梁相比，灵敏度提高接近2倍。在悬臂梁4’表面根据测量物质的不同需要，可以在测量悬臂梁4’的表面涂镀或生长高分子敏感材料、生物活性分子或金属等作为敏感层(图中未示出)。

比如：在悬臂梁4’表面涂镀DNA、蛋白质等生物活性分子，通过DNA分子间的杂化反应或蛋白质间的特异性结合反应实现DNA、蛋白质等微量生物分子的识别。测定DNA的传感器在悬臂梁表面固定已知序列的单链DNA分子(也称为ssDNA探针)，被检测的生物分子是一条互补的ssDNA分子(也称为目标DNA)，两者杂化反应的结果形成双链的DNA，反应过程中的力使悬臂梁弯曲，表现出一定的输出信号的变化。测定蛋白质的传感器通常将抗体固定在悬臂梁表面，基于两种分子间的结构互补性与亲和性，形成抗原抗体复合物，抗原抗体结合(电荷引力、范登华引力、氢键结合力、疏水结合力)使悬臂梁产生弯曲。悬臂梁4的微小弯曲改变力敏电阻R1的阻值，差分电压信号记录被检测的生物分子与敏感层分子间的反应。

上述实施例中，悬臂梁4的设计尺寸可以是：长50～500μm，宽10～100μm，厚100～5000nm，U形臂长20～200μm，宽5～50μm。组成对称惠斯通电桥5的四个完全相同的力敏电阻尺寸可以是：长20～200μm，宽5～50μm。悬臂梁受力后，应力的分布取决于悬臂梁的力矩M和转动惯量I，可以证明最大的应力通常发生在悬臂梁表面，从理论上推出此时悬臂梁臂上的纵向应力σ与悬臂梁端点的力F及垂直位移Δz的关系为：

$\mathrm{\σ}=\frac{9F(l_1+l_2/2)}{{\mathrm{wt}}^2}=\frac{9E(l_1+l_2/2)t}{{12l}^3-{8l}_1^3}\mathrm{\Δ}\text{z----}\left(1\right)$

其中l为悬臂梁的长度，l₁为悬臂梁端点到U形臂末端的距离，l₂为U形悬臂梁臂的长度，w为悬臂梁的宽度，t为悬臂梁的厚度，E为杨氏模量。

如果仅考虑纵向应力，力敏电阻的相对变化率ΔR/R可由下式给出：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=\mathrm{\σ\π}---\left(2\right)$

其中π为纵向压阻系数。测量悬臂梁由于力的作用产生形变时，悬臂梁力敏电阻的阻值变化为ΔR，在偏压V作用于Wheatstone电桥时，Wheatstone电桥的输出信号为：

$V_o=\frac{V_{\mathrm{bias}}}{4}\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}---\left(3\right)$

悬臂梁的测量灵敏度定义为电阻的相对变化与悬臂梁端点偏移量的比。将(1)式计算的应力结果代入公式(2)，则可得到电阻的相对变化随力的变化关系，并根据虎克定律(Hook’s)和弹性系数的定义，悬臂梁的测量灵敏度可表示为：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}\mathrm{\Δ}{Z}^{-1}=\frac{9\mathrm{E\π}(l_1+l_2/2)t}{12l^3-8l_1^3}=\frac{9K(l_1+l_2/2)t}{12l^3-8l_1^3}---\left(4\right)$

式中E为杨氏模量，K＝Eπ_l为应变灵敏度系数，Δz为悬臂梁端点的垂直位移。

力敏悬臂梁的最小可探测位移(MDD)定义为悬臂梁的信号噪声比为1∶1的条件下悬臂梁的垂直位移量，它不仅取决于悬臂梁的探测灵敏度，同时受力敏电阻噪声的制约。令Wheatston电桥输出电压信号V_o等于总噪声，悬臂梁的MDD即可表示为：

$\mathrm{MDD}=\frac{16(3l^3-2l_1^3)}{3K(l_1+l_2/2)t{V}_{\mathrm{bias}}}{[\frac{a{V_{\mathrm{bias}}}^2}{N}\ln \frac{f_{\max }}{f_{\min }}+4K_B\mathrm{TR}(f_{\max }-f_{\min })]}^{1/2}---\left(5\right)$

上式中，中括弧中的第一项对应着力敏电阻的1/f噪声，第二项对应着力敏电阻的Johnson噪声。

由公式(5)可看出，噪声和灵敏度是一个平衡过程，实际设计尺寸要结合工艺条件选择。力敏电阻尺寸首先影响力敏电阻的噪声，尺寸越大噪声越小。悬臂梁尺寸同样影响悬臂梁的灵敏度和噪声，

本发明通过对工艺流程进行了优化设计，在微悬臂梁的制作中仅采用了三个掩膜板，相比其它制作方法，在工艺流程上进行了较大的简化。下面是本发明的制作

实施例：

1、制作芯片衬底，其可以采用单晶硅或多晶硅两种方式，

(1)制作多晶硅悬臂梁时，可以购买单面抛光p型硅片10，对硅片10进行常规清洗后，在硅片10表面进行等离子体增强化学气相淀积(PECVD)氮化硅(Si₃N₄)11(如图4a所示)，用于密封力敏电阻的底层，厚度为150nm；然后低压化学汽相淀积(LPCVD)多晶硅12(如图4b所示)，厚度为200nm，形成多晶硅力敏电阻层。

(2)制作单晶硅悬臂梁时，采用SOI(绝缘体上的硅结构)硅片，对其表面进行处理，减薄器件层，氧化层厚度为：400nm，器件层厚度为：200nm，器件层即为单晶硅力敏电阻层。

2、将经步骤1处理的单晶硅或多晶硅硅片作为芯片衬底，对其正面硼离子注入进行掺杂13(如图4c所示)，注入硼离子的浓度对多晶硅为5×10¹⁵cm^-2，对单晶硅为5×10¹⁴cm^-2，注入能量30keV。

3、采用掩膜板进行力敏电阻的图形转换，对掺杂后的单晶硅或多晶硅进行SF₆(六氟化硫)反应离子刻蚀(RIE)，形成力敏电阻R(如图4d所示)。

4、为完全密封力敏电阻R，等离子体增强化学气相淀积氮化硅11(如图4e所示)，淀积厚度150nm，然后在N₂中1050℃退火20分钟。

5、采用微槽、接触孔、U形悬臂梁为一体的掩膜板进行光刻(如图4f所示)，对Si₃N₄进行CHF₃+SF₆(三氟甲烷+六氟化硫)反应离子刻蚀，刻蚀掉微槽14及力敏电阻接触孔15上的Si₃N₄，同时刻蚀掉U形悬臂梁窗口的Si₃N₄；

6、通过电子束溅射铬/金(Cr/Au)双金属膜16(如图4g所示)，铬厚度为40nm，用来使金较好地附着在衬底上，金厚度400nm，采用金而不是铝是因为金可以抵抗氢氧化钾(KOH)的腐蚀。

7、采用金属掩膜板(如图4h所示)，光刻后，腐蚀金属，完成金属线17的成形；

8、在整个芯片1上进行单个传感器的划片(如图4i所示)，在进行氢氧化钾腐蚀前先划片保证划片过程中不损坏悬臂梁。

9、进行氢氧化钾腐蚀，释放悬臂梁(如图4j所示)，利用氢氧化钾对硅的各向异性凸角腐蚀的性质，在足够长的腐蚀时间下，悬臂梁下面的硅可以完全腐蚀干净，腐蚀后的槽深约60μm。

10、将力敏电阻接触孔内金属和硅进行合金化处理，使它们形成欧姆接触，合金条件：320℃，20分钟。

11、将整个芯片从上述划片处裂片为单个传感器。

12、在每两个悬臂梁中的一个悬臂梁，即测量悬臂梁4’表面涂镀敏感层。

上述方法中，其中

步骤1，在硅片表面进行等离子体增强化学气相淀积氮化硅时，其厚度可以是100～1000nm；SOI硅片的氧化层厚度可以为200～800nm，器件层厚度可以为100～500nm。

步骤1，低压化学汽相淀积多晶硅作为力敏电阻层时，其厚度可以是100～500nm；氮化硅或氧化硅保护层的厚度决定了悬臂梁的厚度，而悬臂梁的厚度又决定了其灵敏度，可由公式(4)看出。

步骤2，对单晶硅或多晶硅正面硼离子注入进行掺杂时，注入硼离子的浓度可以是5×10¹³cm^-2～5×10¹⁵cm^-2，能量30keV～80keV；掺杂浓度越高，悬臂梁的噪声越低，但灵敏度同时降低。离子注入能量决定硼离子在电阻层中扩散的深浅，从而影响悬臂梁的灵敏度。

步骤4，等离子体增强化学气相淀积氮化硅时，淀积厚度可以是100～1000nm，然后在氮气中900～1100℃退火20～30分钟；厚度决定了悬臂梁的厚度，而悬臂梁的厚度又决定了其灵敏度，可由公式(4)看出。

步骤5，铬/金双金属膜的厚度可以适当调整。

上述制作方法中，芯片光刻后，无论是在气体中刻蚀，还是在液体中腐蚀，其所使用的气体或液体都是可以根据需要变化的。

上述实施例中，悬臂梁4的数量可以根据测量项目的需要设置，但其数量应为偶数，即两个悬臂梁为一组，与在两悬臂梁和芯片衬底上设置的四个力敏电阻组成一独立的传感单元，完成一个测量项目，因此，一个芯片上具有两个悬臂梁，便可以组成一个传感器；若设置多组悬臂梁，则形成阵列式传感器，传感器可以不设置微槽，使悬臂梁位于芯片的一侧(如图3所示)，也可以设置微槽，使悬臂梁位于微槽两侧(如图1所示)。

本发明可以通过正面腐蚀技术和硅～玻璃(聚合物)键合技术将悬臂梁设计、制备在液体可流动的微槽中，这样可直接用于液态生物分子的检测。

本发明单元式或阵列式压阻悬臂梁无论是应用在气体传感器上，还是生物传感器上，都将在减小器件尺寸、提高器件灵敏度以及实现传感器的多功能性上发挥重要作用。悬臂梁式传感器在环境监测，临床的诊断和治疗、新药开发、食品安全、工业加工控制、军事等领域具有广泛的应用前景。

Claims (13)

1、一种微悬臂梁传感器，它包括一芯片，所述芯片上设置有至少一组传感单元，所述传感单元由组成惠斯通电桥的四个完全相同的力敏电阻和两个悬臂梁组成，其中两个所述力敏电阻位于所述芯片的衬底上，另外两个分别位于所述两悬臂梁上，其中一个作为测量悬臂梁，另一个作为参考悬臂梁，其特征在于：在所述芯片上设置有一微槽，所述悬臂梁设置在所述微槽内，所述力敏电阻的材料采用单晶硅或多晶硅，在所述单晶硅或多晶硅正面掺杂有硼离子，在所述力敏电阻上、下表面设置有氮化硅或氧化硅保护层，共同组成所述悬臂梁，每一所述悬臂梁上具有一窗口，使所述悬臂梁呈U形设置在所述芯片上，所述测量悬臂梁表面设置有敏感层。

2、如权利要求1所述的一种微悬臂梁传感器，其特征在于：所述敏感层为高分子敏感材料。

3、如权利要求1所述的一种微悬臂梁传感器，其特征在于：所述敏感层为生物活性分子。

4、如权利要求1或2或3所述的一种微悬臂梁传感器，其特征在于：所述悬臂梁长50～500μm，宽10～100μm，厚100～5000nm，所述窗口两侧的U形臂长20～200μm，宽5～50μm。

5、如权利要求1或2或3所述的一种微悬臂梁传感器，其特征在于：所述力敏电阻尺寸为长20～200μm，宽5～50μm。

6、如权利要求4所述的一种微悬臂梁传感器，其特征在于：所述力敏电阻尺寸为长20～200μm，宽5～50μm。

7、一种微悬臂梁传感器的制作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)采用具有氧化层、单晶硅器件层的SOI硅片，并减薄器件层作为芯片衬底；或者采用单面抛光p型硅片，进行常规清洗后，在硅片表面等离子体增强化学气相淀积氮化硅，然后在氮化硅表面低压化学汽相淀积多晶硅作为芯片衬底；

(2)对单晶硅或多晶硅正面硼离子注入进行掺杂；

(3)用掩膜板对经步骤(2)的芯片进行第一次光刻，经刻蚀，形成力敏电阻；

(4)对经步骤(3)的芯片表面通过等离子体增强化学气相淀积氮化硅，然后在氮气中退火；

(5)用掩膜板对经步骤(4)的芯片进行第二次光刻，经刻蚀，形成力敏电阻接触孔和U形悬臂梁的臂及窗口；

(6)对经步骤(5)的芯片表面通过电子束，溅射铬/金双金属膜；

(7)用掩膜板对经步骤(6)的芯片进行第三次光刻，经腐蚀，形成连接各力敏电阻的金属线；

(8)在整个芯片上进行单个传感器的划片；

(9)用氢氧化钾腐蚀经步骤(8)的芯片，释放悬臂梁；

(10)对芯片上力敏电阻接触孔内的金属线与芯片衬底进行合金处理；

(11)将整个芯片裂片为单个传感器；

(12)在每两个悬臂梁中的一个悬臂梁表面设置敏感层。

8、如权利要求7所述的一种微悬臂梁传感器的制作方法，其特征在于：其中步骤(5)，在形成力敏电阻接触孔和U形悬臂梁的臂及窗口的同时形成芯片上的微槽。

9、如权利要求7所述的一种微悬臂梁传感器的制作方法，其特征在于：其中步骤(1)，SOI硅片的氧化层厚度为200～800nm，器件层厚度为100～500nm。

10、如权利要求7所述的一种微悬臂梁传感器的制作方法，其特征在于：其中步骤(1)，在硅片表面进行等离子体增强化学气相淀积氮化硅时，氮化硅的厚度为100～1000nm。

11、如权利要求7所述的一种微悬臂梁传感器的制作方法，其特征在于：其中步骤(1)，在低压化学汽相淀积多晶硅时，多晶硅的厚度为100～500nm。

12、如权利要求7所述的一种微悬臂梁传感器的制作方法，其特征在于：其中步骤(2)，对单晶硅或多晶硅正面硼离子注入进行掺杂时，注入硼离子的浓度为5×10¹³cm^-2～5×10¹⁵cm^-2，注入能量30keV～80keV。

13、如权利要求7所述的一种微悬臂梁传感器的制作方法，其特征在于：其中步骤(4)，等离子体增强化学气相淀积氮化硅时，氮化硅厚度为100～1000nm，然后在氮气中900～1100℃退火20～30分钟。

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