KR20030013130A - High sensitive cantilever sensor and method for fabrication thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기능성 박막을 이용한 센서에 관한 것으로, 시스템의 크기를 대폭 줄이고, 고감도의 센서를 구현하기 위한 고감도 초소형 캔틸레버 센서 및 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor using a functional thin film, and to a highly sensitive ultra-small cantilever sensor and a manufacturing method for significantly reducing the size of the system, and to implement a high-sensitivity sensor.
최근 전기와 기계부품을 초소형으로 일체화시키는 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS) 공정을 기반으로한 소형화된 센서들은 빠른 응답과 높은 감도, 그리고 대량생산에 적당하기 때문에 관심의 대상이 되고 있다.Recently, miniaturized sensors based on microelectromechanical systems (MEMS) processes that integrate electrical and mechanical components into microminiatures are of interest because of their fast response, high sensitivity, and suitable for mass production.
MEMS 구조는 증착과 식각등의 과정을 반복하는 반도체 미세 공정 기술을 적용하여 저렴한 비용으로 초소형 제품의 대량생산을 가능하게 하고, 구동력은 전하간에 서로 당기는 힘인 정전기력(Electrostatic Force), 자성력, 열팽창차이에 의한 구동력 등을 이용해 작동되고 초소형으로서 전력소비량도 크게 낮출 수 있어, 나노 및 시스템온칩(SOC)기술의 등장과 함께 중요성이 날로 부각되고 있다.MEMS structure enables mass production of micro products at low cost by applying semiconductor micro process technology that repeats processes such as deposition and etching, and driving force is electrostatic force, magnetic force, thermal expansion difference It is operated using the driving force and the like, and the power consumption can be greatly reduced as the ultra-small, with the advent of nano and system-on-chip (SOC) technology, the importance is increasing day by day.
최근에는 물리적인 현상이나 또는 화학적 반응의 감지를 위하여 이들 MEMS 공정에 의하여 제조된 캔틸레버를 기초로 하는 센서들의 개발에 많은 연구들이 활발하게 진행되고있다.Recently, many studies have been actively conducted on the development of cantilever-based sensors manufactured by these MEMS processes for the detection of physical phenomenon or chemical reaction.
종래 대부분의 캔틸레버 센서들은 캔틸레버가 열이나 혹은 질량(mass)의 변화 등에 의한 정적인 휨(static deflection)이나 혹은 공진 주파수 변화의 감지를 레이저와 같은 광원을 이용하여 측정이 이루어지고 있다. 그러나, 레이저와 같은광원을 이용한 종래의 센서는 광원이 구성되어야 함으로 센서의 크기를 줄이는데 한계가 있다.Most of the conventional cantilever sensor is a cantilever is measured by using a light source such as a laser to detect the static deflection or resonance frequency change due to heat or mass (mass) change. However, the conventional sensor using a light source such as a laser has a limitation in reducing the size of the sensor because the light source must be configured.
도 1에 광원을 이용한 종래의 캔틸레버 센서에 관하여 나타낸 것이다.1 illustrates a conventional cantilever sensor using a light source.
캔틸레버 센서의 구동부(11)에서 감지물질(12)의 열이나 혹은 질량등의 변화에 의한 정적인 휨이나 혹은 공진 주파수의 변화를 감지하게 되면 레이저와 같은 광원(13)을 이용하여 구동부에서 감지한 센싱 신호를 포커싱하여 위치인식 다이오드(sensing position diode)(14)로 집광 시킴으로써 모든 센싱이 이루어진다.When the driving unit 11 of the cantilever sensor detects a static warpage or a change in the resonance frequency due to a change in heat or mass of the sensing material 12 or a change in the resonance frequency, the driving unit 11 detects the driving unit using a light source 13 such as a laser. All sensing is achieved by focusing the sensing signal and condensing it with a sensing position diode 14.
종래의 센서는 구동부에서 발생하는 신호를 광 신호 변환시키기 위한 레이저와 같은 광원(13)이나 광을 집광 시키기 위한 위치인식 다이오드(14)와 같은 디텍터(detector)가 구성되어 있어야 함으로 센싱 시스템의 크기를 줄이는데 어려움이 있다.Conventional sensors need to be configured with a light source 13 such as a laser for converting a signal generated from the driver to an optical signal, or a detector such as a position recognition diode 14 for condensing the light. Difficult to reduce
본 발명은 캔틸레버를 이용한 센싱 시스템의 크기를 대폭 줄이기 위하여 광 신호 대신에 전기적인 신호를 감지하도록 센서를 구성하였다.In the present invention, a sensor is configured to sense an electrical signal instead of an optical signal in order to significantly reduce the size of a sensing system using a cantilever.
캔틸레버 센서의 구동부와 센싱부에 PZT계열이나 ZnO와 같은 압전성이 높은 물질을 이용하여 압전막을 형성한 다음, 상기의 압전막에 구동 전계을 인가하여 압전막으로부터 발생하는 공진 주파수를 측정함으로써 광 신호 대신 센싱 신호를 측정하도록 하였다.A piezoelectric film is formed by using a piezoelectric material such as PZT series or ZnO in the driving unit and the sensing unit of the cantilever sensor, and then sensing the resonance frequency generated from the piezoelectric film by applying a driving electric field to the piezoelectric film, thereby sensing the optical signal. The signal was measured.
또한, 캔틸레버 센서의 제조 공정에 있어서 균일한 멤브레인을 형성하는 공정을 통하여, 균일한 센싱이 이루어지도록 하고, 구동막이 형성된 면의 반대면에 센싱이 가능한 방법 예를 들면 압저항막 또는 또 다른 압전막을 이용한 바이모르프형태의 압전막을 형성하여 센싱이 가능하도록 하여 센싱 특성을 향상시켰다. 이러한 바이모르프 형태의 구조는 종래의 한쪽 면에만 압전막이 있는 모노모르프 형태보다 큰 힘을 낼 수 있어 다양한 액츄에이터나 혹은 센서에 활용 가능하다.In addition, in the manufacturing process of the cantilever sensor, a method for forming a uniform membrane to achieve uniform sensing and sensing on the opposite side of the surface on which the driving film is formed, for example, a piezoresistive film or another piezoelectric film The bimorph-type piezoelectric film used was formed to enable sensing to improve sensing characteristics. Such a bimorph structure can exert a greater force than the conventional monomorph having a piezoelectric film on only one surface thereof, and thus can be used for various actuators or sensors.
본 발명의 목적은 캔틸레버 센서가 광 신호 대신 전기적 신호를 감지하도록 하여 시스템의 크기를 대폭 줄이는데 있다.An object of the present invention is to significantly reduce the size of the system by allowing the cantilever sensor to detect electrical signals instead of optical signals.
본 발명의 다른 목적은 캔틸레버 센서 제조시 일정한 두께의 캔틸레버를 제조하는 공정을 통해 균일한 두께의 멤브레인을 형성하여 균일한 센싱 특성을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a uniform sensing characteristic by forming a membrane having a uniform thickness through a process of manufacturing a cantilever having a constant thickness when manufacturing a cantilever sensor.
본 발명의 다른 목적은 캔틸레버 센서의 캔틸레버에 구동막과 센싱막을 같이 형성하여 구동과 센싱이 동시에 이루어지도록 함으로써, 센싱의 응답속도를 향상시키는데 있다.Another object of the present invention is to form a driving film and a sensing film on the cantilever of the cantilever sensor so that driving and sensing are performed at the same time, thereby improving the response speed of sensing.
기타 본 발명의 목적 및 특징은 이하의 발명의 구성 및 특허청구범위에서 상세히 기술될 것이다.Other objects and features of the present invention will be described in detail in the configuration and claims of the following invention.
도 1은 종래 캔틸레버 센서의 전체적인 구성의 개략도를 나타낸 것이다.Figure 1 shows a schematic diagram of the overall configuration of a conventional cantilever sensor.
도 2는 SOI 기판에 형성된 압전셀을 나타낸 것이다.2 shows a piezoelectric cell formed on an SOI substrate.
도 3은 캐비티가 형성된 하부 기판을 나타낸 것이다.3 shows a lower substrate having a cavity formed therein.
도 4는 압전셀이 형성된 SOI기판과 캐비티가 형성된 기판을 붙여놓은 것을 나타낸 것이다.4 shows an SOI substrate on which a piezoelectric cell is formed and a substrate on which a cavity is formed.
도 5는 식각 정지막이 있는 부분까지 실리콘을 제거하여 원하는 두께의 멤브레인을 형성한 것을 나타낸 것이다.FIG. 5 shows that silicon is removed to a portion having an etch stop layer to form a membrane having a desired thickness.
도 6은 도 5의 맴브레인 위에 센싱을 담당하는 압전셀을 형성한 것을 나타낸 것이다.FIG. 6 illustrates that a piezoelectric cell in charge of sensing is formed on the membrane of FIG. 5.
도 7은 캔틸레버 상부에 프루브를 입힌 후 생체 물질을 부착한 모습을 나타낸 것이다.7 shows a state in which a biomaterial is attached after a probe is coated on an upper portion of the cantilever.
도 8은 압저항 방식으로 구동하는 캔틸레버 센서 구조의 단면도를 나타낸 것이다.8 shows a cross-sectional view of a cantilever sensor structure driven in a piezoresistive manner.
도 9는 압저항 방식으로 구동하는 캔틸레버 센서 구조의 위에서 본 평면도를 나타낸 것이다.9 shows a plan view from above of a cantilever sensor structure driven in a piezoresistive manner.
도 10은 캐패시티브 방식으로 구동하는 캔틸레버 센서의 구조를 나타낸 것이다.10 shows a structure of a cantilever sensor driven in a capacitive manner.
도 11는 n+ 실리콘층을 식각 정지막으로 이용하여 형성한 압전셀을 포함하는 상부기판을 나타낸 것이다.11 illustrates an upper substrate including a piezoelectric cell formed using an n + silicon layer as an etch stop layer.
도 12는 압전셀이 형성된 n+ 실리콘층이 식각 정지막로 형성된 상부 기판과 캐비티가 형성된 하부 기판을 붙여 놓은 것을 나타낸 것이다.12 illustrates that an n + silicon layer on which a piezoelectric cell is formed, pastes an upper substrate formed of an etch stop layer and a lower substrate formed of a cavity.
도 13은 도 12의 맴브레인 위에 센싱을 담당하기 위한 압전셀이 형성된 것을 나타낸 것이다.FIG. 13 shows that a piezoelectric cell for sensing is formed on the membrane of FIG. 12.
도 14은 도 12의 소자위에 생체 프루브를 입힌 것을 나타낸 것이다.FIG. 14 shows a bioprobe coated on the device of FIG. 12.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for main parts of drawing ***
11:캔틸레버 13:광원11: cantilever 13: light source
14:디텍터 21:SOI 기판14: detector 21: SOI board
22:식각 정지막 24:열산화막22: etching stop film 24: thermal oxide film
26:압전막 34:캐비티26: piezoelectric film 34: cavity
71:골드막 72:생체프루브71: gold film 72: living probe
81:스트레인 센서81: strain sensor
본 발명은 캔틸레버 센서에 관한 것으로, 상세하게는 고감도 초소형 센서를 구현하기 위한 캔틸레버 센서 및 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cantilever sensor, and more particularly, to a cantilever sensor and a manufacturing method for implementing a high sensitivity ultra-compact sensor.
본 발명의 고감도 초소형 캔틸레버 센서에 있어서 캔틸레버의 상부와 하부면에 압전막과 상기 압전막의 상, 하부면에 입혀진 전극으로 이루어진 압전셀로 형성된 상부기판과. 상부면에 일정한 캐비티가 형성된 하부 기판을 합착한 형태를 가진다.And an upper substrate formed of a piezoelectric cell comprising a piezoelectric film on the upper and lower surfaces of the cantilever and electrodes coated on the upper and lower surfaces of the piezoelectric film. The upper substrate has a form in which a lower substrate having a predetermined cavity is bonded.
이하, 본 발명의 여러 가지 실시 형태와 제조 방법에 대해 도면을 이용하여 상세히 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, various embodiment of this invention and a manufacturing method are demonstrated in detail using drawing.
도 2는 상기 캔틸레버의 하부면에 압전셀이 형성된 상부 기판을 나타낸 것이다.2 shows an upper substrate on which a piezoelectric cell is formed on a lower surface of the cantilever.
준비된 SOI(silicon on insulator) 기판(21)의 상부면과 하부면에 전극이 잘 올라갈 수 있도록 열산화막(24)을 입힌다. 상기 열산화막(24)위에 구동막을 구동시키기 위한 전계를 인가할 수 있도록 하부 전극(25)을 열 증착(thermal evaporation)이나 E-빔 증착 방법, 혹은 CVD 방법과 같은 일반적인 방법을 이용하여 증착 시킨다. 이 후, 상기의 형성된 캔틸레버의 하부전극(25) 위에 PZT 계열이나 ZnO와 같이 압전 특성이 우수한 물질로 이루어진 구동막(26)을 형성한다. 상기의 구동막(26)의 두께는 캔틸레버의 두께에 따라 박막부터 후박까지 다양하게 적용될 수 있다.The thermal oxide film 24 is coated on the top and bottom surfaces of the prepared silicon on insulator (SOI) substrate 21 so that the electrodes can be easily raised. The lower electrode 25 is deposited using a general method such as a thermal evaporation method, an E-beam deposition method, or a CVD method so that an electric field for driving the driving film may be applied on the thermal oxide film 24. Thereafter, a driving film 26 made of a material having excellent piezoelectric properties, such as PZT series or ZnO, is formed on the lower electrode 25 of the formed cantilever. The thickness of the driving layer 26 may be variously applied from a thin film to a thick film according to the thickness of the cantilever.
구동막을 박막으로 적용할 경우에는 스퍼터링이(sputtering)나 혹은 통상적인 CVD를 통해 구동막을 증착 할 수 있으며, 구동막을 후막으로 적용할 경우에는 스크린 프린팅(screen printing)이나 혹은 통상적인 CVD방법도 가능하다.When the driving film is applied as a thin film, the driving film may be deposited by sputtering or conventional CVD. When the driving film is applied as a thick film, screen printing or conventional CVD may be used. .
상기의 방법으로 형성된 구동막(26)위에 하부전극을 증착하는 방법과 동일한 방법을 이용하여 상부 전극(27)을 증착 한 후, 소자의 보호나 혹은 타 용액들과의 접촉을 피하기 위해 실리콘 산화막(SiO2)이나 혹은 실리콘 질화막(SiNX)이나 혹은 실리콘 탄화막(SiC)같은 보호막을 입힐 수도 있다. 이 때 구동막(26)의 상·하부에형성되는 상부 전극(27)이나 하부 전극(25)은 백금이나 혹은 전도성 산화물로 널리 알려진 RuO2, SrRuO3와 같은 산화물 전극도 가능하다.After depositing the upper electrode 27 using the same method as the method of depositing the lower electrode on the drive film 26 formed by the above method, in order to protect the device or to avoid contact with other solutions ( A protective film such as SiO 2 ), silicon nitride film (SiN X ), or silicon carbide film (SiC) may be coated. At this time, the upper electrode 27 and the lower electrode 25 formed on the upper and lower portions of the driving film 26 may be oxide electrodes such as RuO 2 and SrRuO 3 which are widely known as platinum or conductive oxides.
다음은 도 3에 도시한 바와 같이, 마이크로 머시닝이 가능한 실리콘 기판(100)(32)을 식각 용액으로부터 실리콘 기판을 보호하기 위해 실리콘 질화막(31,33)과 같은 보호막을 입힌 후, 상기의 실리콘 기판 상부에 형성된 실리콘 질화막의 중간부분을 일부분 제거하여 일정한 두께의 케비티(34)가 형성된 하부 기판을 만든다.Next, as shown in FIG. 3, the silicon substrates 100 and 32 capable of micromachining are coated with a protective film such as silicon nitride films 31 and 33 to protect the silicon substrate from the etching solution. A portion of the middle portion of the silicon nitride film formed on the upper portion is removed to form a lower substrate on which a cavity 34 having a predetermined thickness is formed.
실리콘 기판 대신 유리 기판을 이용하여 케비티가 형성된 하부 기판을 만드는 것도 가능하다.It is also possible to make a lower substrate having a cavity by using a glass substrate instead of a silicon substrate.
일정한 두께의 케비티(34)가 형성된 하부 기판을 도 2에 도시한 캔틸레버 센서의 상부 기판과 합착 시키게 되면 도 4와 같은 형태의 소자를 얻을 수 있다. 구동막과 전극을 포함하는 상부 기판(도 2)과 상부에 캐비티(34)가 형성된 하부 기판(도 3)을 붙일 때는 SDB(silicon direct bondig)방법이나 에너딕(anodic)방법 혹은 에폭시(epoxy)를 이용할 수 있다.When the lower substrate having the cavity 34 having a predetermined thickness is bonded to the upper substrate of the cantilever sensor shown in FIG. 2, an element having a shape as shown in FIG. 4 may be obtained. When attaching the upper substrate including the driving film and the electrode (FIG. 2) and the lower substrate having the cavity 34 formed thereon (FIG. 3), the SDB (silicon direct bondig) method, the energetic method, or epoxy Can be used.
이 후, SOI 기판 상부면에 하부 전극의 접착력을 향상시키기 위해 입힌 열산화막(24)을 제거하고 실리콘(100)(21)층을 실리콘 산화막으로 이루어진 식각 정지막(22)이 노출될때까지 제거하게 되면 도 5과 같은 형태의 균일한 두께의 멤브레인이 형성된 소자가 형성된다. 상기 식각 정지막으로는 실리콘 산화막대신 저응력 실리콘 질화막을 적용할 수도 있다.Thereafter, the thermal oxide film 24 coated on the top surface of the SOI substrate may be removed to remove the thermal oxide film 24, and the silicon 100 and 21 layers may be removed until the etch stop film 22 made of the silicon oxide film is exposed. 5, a device in which a membrane of uniform thickness is formed as shown in FIG. 5. As the etch stop film, a low stress silicon nitride film may be used instead of the silicon oxide film.
상부 기판의 실리콘(100)(21)층을 식각 할때에는 KOH나 혹은 TMAH와 같은 식각 용액 내에서 실리콘을 제거하는 전기 화학 식각 방법이나 딥 트렌치 반응성 이온 식각 방법과 같은 건식 식각 방법이 이용된다.When etching the silicon (100) (21) layer of the upper substrate, a dry etching method such as an electrochemical etching method or a deep trench reactive ion etching method to remove the silicon in an etching solution such as KOH or TMAH is used.
상기 멤브레인 위에 다시 하부전극(61)과, 상기 하부전극 위에 압전막(62)과, 상기 압전막(62) 위에 상부 전극(63)을 형성하고 패터닝함으로써 도 6과 같은 완성된 소자를 얻게 된다. 이 때 상기 압전막(62)은 캔틸레버 하부에 형성된 압전막(26)과 동일하게 박막과 후막이 모두 가능하며, 상기 압전막(62)은 캔틸레버의 두께에 따라 열 충격에 의해서 부러지는 것을 방지하기 위하여 RTA(rapid thermal annealing)나 혹은 기존이 전기로를 이용한 열처리가 이루어진다.By forming and patterning a lower electrode 61 on the membrane, a piezoelectric film 62 on the lower electrode, and an upper electrode 63 on the piezoelectric film 62, a completed device as shown in FIG. 6 is obtained. At this time, the piezoelectric film 62 may be both a thin film and a thick film in the same way as the piezoelectric film 26 formed below the cantilever, and the piezoelectric film 62 may be prevented from being broken by heat shock according to the thickness of the cantilever. For this purpose, rapid thermal annealing (RTA) or conventional heat treatment using an electric furnace is performed.
상기 소자(도 6)의 상부면에 생체 프루브가 잘 붙게 하기 위해서 골드(Au)막(71)을 입히고, 생체 프루브(72)를 형성하게 되면 도 7과 같은 수피코 그램부터 수 마이크로 그램의 생체물질을 감지하는 고감도 초소형 바이오 센서를 얻을 수 있다.In order to adhere the bioprobe to the upper surface of the device (FIG. 6), a gold (Au) film 71 is coated and the bioprobe 72 is formed. It is possible to obtain a highly sensitive micro biosensor for detecting a substance.
상기와 같은 방법으로 제작된 캔틸레버 센서는 우선 무게 변화를 감지할 수 있는 곳에 적용이 가능하며, 캔틸레버에 감지하려는 물질이나, 혹은 방법에 따라 적합한 감지막을 증착하여 여러 가지 다른 기능을 가진 센서로도 응용이 가능하다. 상기 캔틸레버 위에 습기를 흡수하는 감지막을 적용할 경우 습도 센서로, 머큐리를 흡착할수 있는 감지막을 증착할 경우 머큐리감지 센서로, 그리고 각종 가스를 흡착 할 수 있는 감지막을 이용할 경우 고감도 가스센서로 응용이 가능하다. 아울러 도 7에 도시한 바와 같이 표면에 특정한 생체물질과 특이적으로 반응하는 감지물질을 이용하여 수피코 그램부터 수 마이크로 그램의 생체물질을 감지하는 바이오칩으로도 응용이 가능하다. 또한 캔틸레버 상,하부에 바이모르프 형태로 만들어진 압전박,후막 셀을 적당한 크기로 폴링하여 동시에 구동을 하면 모노포르프 형태의 액츄에이터 보다 변위 및 변형력이 커 광 스위치나 혹은 다양한 액츄에이터에 응용가능하다.The cantilever sensor manufactured by the above method can be applied to the place where the weight change can be detected first, and it can also be applied to the sensor having various functions by depositing a suitable sensing film according to the material or method to be detected on the cantilever. This is possible. When applying a sensing film to absorb moisture on the cantilever, it can be applied as a humidity sensor, a mercury sensing sensor when depositing a mercury adsorption film, and a high sensitivity gas sensor when using a sensing film that can adsorb various gases. Do. In addition, as shown in Figure 7, using a sensing material that specifically reacts with a specific biological material on the surface it can be applied as a biochip for detecting a biological material of several picograms to several micrograms. In addition, when the piezoelectric foil and thick film cells made of bimorphs in the upper and lower portions of the cantilever are polled to an appropriate size and driven at the same time, the displacement and deformation force are greater than those of the monomorphic actuators, so that they can be applied to optical switches or various actuators.
구동과 센싱은 캔틸레버의 하부에 형성되어있는 압전셀의 공진 주파수에 해당하는 전계를 인가해서 구동을 시키면 센싱을 담당하는 캔틸레버의 상부에 형성된 압전셀이 공진 주파수에 해당하는 전하를 방출하게 되고 상기의 방출된 전하를 감지하게 된다. 이 때 감지막 위에 감지하려는 물질이 붙게 되면 미세한 질량의 변화에 의해서 구동 압전셀의 공진 주파수가 변하게 되고 감지셀이 이 공진 주파수의 차이로 인해 방출되는 전하의 차이에 해당하는 신호를 감지함으로써 센싱이 이루어진다. 센싱과 구동은 상기 캔틸레버의 어느쪽을 이용하여도 무방하다.When driving and sensing is applied by applying an electric field corresponding to the resonant frequency of the piezoelectric cell formed in the lower part of the cantilever, the piezoelectric cell formed on the upper part of the cantilever responsible for sensing emits a charge corresponding to the resonant frequency. It will detect the discharged charge. At this time, if a substance to be detected is stuck on the sensing film, the resonant frequency of the driving piezoelectric cell is changed by the change of the mass, and the sensing cell senses a signal corresponding to the difference of electric charge emitted by the difference of the resonant frequency. Is done. Sensing and driving may use either of the cantilevers.
센싱 방식은 앞서 실시 예의 압전 방식 외에 도 8내지 도 9에 도시한 바와 같이 캔틸레버 상부면에 압저항막(81)을 이용한 스트레인 센서를 형성하여 압전막(62)을 이용한 구동과 동시에 압저항막(81)으로부터 센싱하는 압저항 방식도 가능하다.In the sensing method, in addition to the piezoelectric method of the previous embodiment, as shown in FIGS. 8 to 9, a strain sensor using the piezoresistive film 81 is formed on the top surface of the cantilever to drive the piezoelectric film 62 and at the same time the piezoelectric film ( A piezoresistive method for sensing from 81 is also possible.
도 9는 압저항막을 이용한 캔틸레버 센서의 단면도이고, 도 9는 위에서 본 압저항막을 이용한 캔틸레버의 위에서 본 평면도이다.9 is a cross-sectional view of a cantilever sensor using a piezoresistive film, and FIG. 9 is a plan view of the cantilever using a piezoresistive film seen from above.
구동 방식은 앞서 실시 예의 압전방식 이외에 도 10에 도시한 바와 같이 캔틸레버의 아래쪽에 위치한 면에 구동에 필요한 전극(101)을 형성하고 하부기판에 형성된 캐비티 바닥에 형성한 다른 전극(102) 사이에 특정한 주파수를 가지고 진동하도록 전극(101,102)사이에 구동 전계를 인가하여 캔틸레버가 캐비티(34)를 사이에 두고 구동하면서 캔틸레버 상부에 위치한 압전막이나 혹은 압저항막을 이용하여 감지하는 캐패시티브 방식도 가능하다.In addition to the piezoelectric method of the embodiment described above, as shown in FIG. 10, an electrode 101 necessary for driving is formed on a surface disposed below the cantilever, and is specified between other electrodes 102 formed on the bottom of the cavity formed on the lower substrate. A capacitive method may be applied by applying a driving electric field between the electrodes 101 and 102 to vibrate with a frequency so that the cantilever is driven with the cavity 34 interposed therebetween, using a piezoelectric film or a piezoresistive film located on the top of the cantilever. .
또 다른 실시 예로, 상부기판의 식각 정지막으로 이전 실시 예에서 사용한 SOI 기판의 산화 실리콘층 대신 n 도핑이 많이 이루어진 n+ 실리콘층을 이용할 수도 있다.In another embodiment, an n + silicon layer having a large number of n dopings may be used instead of the silicon oxide layer of the SOI substrate used in the previous embodiment as an etch stop layer of the upper substrate.
이하 도면을 참조하여 n+ 실리콘층을 식각 정지막으로 이용한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment using an n + silicon layer as an etch stop layer will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 11에 도시한 바와 같이, 이전의 실시 예에서와 같이 p형 실리콘 기판(112)에 n+ 도핑된 실리콘층(111)이 원하는 멤브레인 두께만큼 입혀진 p형 실리콘 기판의 하부면에 하부 전극의 접착력을 향상시키기 위해서 열 산화막이나 혹은 저 응력 질화막을 입힌 후, 이전 실시 예와 동일한 공정과정을 통하여 상·하부 전극(25, 27)과 압전막(26)을 포함하는 압전셀을 형성함으로써, 캔틸레버 센서의 상부 기판을 만들 수 있다.As shown in FIG. 11, as in the previous embodiment, the adhesion of the lower electrode is applied to the lower surface of the p-type silicon substrate on which the n + -doped silicon layer 111 is coated with the desired membrane thickness. After applying a thermal oxide film or a low stress nitride film to improve, a piezoelectric cell including the upper and lower electrodes 25 and 27 and the piezoelectric film 26 is formed through the same process as in the previous embodiment. The upper substrate can be made.
상기의 상부 기판과 캐비티(34)가 형성된 다른 실리콘 기판을 붙여 도 12에 도시한 바와 같은 형태의 소자를 형성한다. 이 후 상부 기판 상부에 입혀진 열산화막이나 질화막을 제거하고 TMAH나 KOH 등의 식각용액을 이용한 전기화학 식각 방법이나 딥 트렌치 반응선 이온 식각과 같은 건식 식각 방법을 통해 p형 실리콘(112)막을 제거하면 도 13과 같은 형태의 균일한 두께의 멤브레인이 형성된 소자를 얻을 수가 있다. 이 후, 상기 맴브레인의 상부면에 전극의 접착력을 향상시키기 위하여 열산화막(24)을 입히고 하부 전극(61)과, 상기 하부 전극(61) 위에 압전막(62)과, 상기 압전막(62) 위에 상부전극(63)을 형성하여 캔틸레버의 하부면에 형성된 압전셀과 일한 압전셀을 캔틸레버의 상부면에 형성하게 되면 도 14와 같이 완성된 소자를 얻을 수 있다.The upper substrate and the other silicon substrate on which the cavity 34 is formed are pasted together to form an element as shown in FIG. After that, the thermal oxide film or nitride film coated on the upper substrate is removed, and the p-type silicon 112 film is removed by an electrochemical etching method using an etching solution such as TMAH or KOH or a dry etching method such as deep trench reaction line ion etching. It is possible to obtain an element in which a membrane having a uniform thickness as shown in FIG. 13 is formed. Thereafter, a thermal oxide film 24 is coated on the upper surface of the membrane to lower the electrode 61, the piezoelectric film 62, and the piezoelectric film 62 on the lower electrode 61. When the upper electrode 63 is formed on the piezoelectric cell formed on the lower surface of the cantilever and the piezoelectric cell formed on the upper surface of the cantilever is formed, a completed device can be obtained as shown in FIG. 14.
상기의 하부 기판에 대하여 실리콘 기판대신 유리 기판을 사용할 수도 있다.For the lower substrate, a glass substrate may be used instead of the silicon substrate.
도 15에 나타낸 것은, 도 8과 같이 도 14의 완성된 소자 위에 생체 물질이 달라붙기 쉽도록 하기 위해 골드(Au)막(71)을 입힌 후, 생체 프루브(72)를 형성하게 되면 생체물질을 감지할 수 있는 고감도 초소형 바이오 센서가 된다.As shown in FIG. 15, after the gold (Au) film 71 is coated on the finished device of FIG. 14 to easily adhere to the biomaterial, the biomaterial 72 is formed. It becomes a highly sensitive micro biosensor that can be detected.
구동과 센싱 역시 앞서의 도 6에 도시된 실시 예와 동일하게 적용된다.Driving and sensing are also applied in the same manner as the embodiment shown in FIG.
센싱은 압전 방식과 압저항 방식이 모두 가능하며, 구동은 압전 방식과 캐패시티브 구동 방식을 선택하여 적용할수 있다.Sensing can be both piezoelectric and piezoresistive, and driving can be applied by selecting either piezoelectric or capacitive driving.
앞서 실시 예와 마찬가지로 캔틸레버의 상부면과 하부면에 구동막과 센싱막을 이 동시에 형성되어, 빠른 센싱의 응답속도를 얻을 수 있다.As in the previous embodiment, the driving film and the sensing film are simultaneously formed on the upper and lower surfaces of the cantilever, thereby obtaining a fast sensing response speed.
본 발명은 고감도 초소형 캔틸레버 센서 및 제조 방법에 관한 것으로, 전기적인 신호의 감지를 통하여 시스템의 크기를 대폭 줄여 대량 생산에 용이하게 하고 구동과 센싱이 동시에 이루어지도록 하여 빠른 센싱의 응답속도를 제공한다.The present invention relates to a highly sensitive ultra-small cantilever sensor and a manufacturing method, which greatly reduces the size of the system through the detection of an electrical signal to facilitate mass production, and to provide a fast sensing response speed by driving and sensing at the same time.
또한, 응용하고자 하는 감지막의 적용에 따라 감도 습도 센서, 머큐리 감지 센서, 고감도 가스 센서, 그리고 수피코 그램부터 수 마이크로 그램의 생체물질을 감지하는 바이오 센서로도 응용이 가능하다.In addition, depending on the application of the sensing film to be applied, it can be applied as a sensitivity humidity sensor, a mercury detection sensor, a high sensitivity gas sensor, and a biosensor that detects biomaterials from several picograms to several micrograms.
또한, 바이모르프 형태의 압전셀을 이용하여 종래의 모노포르프 형태의 박막이나 후막 액츄에이터에 비하여 변위 및 구동력이 커 이들 특성을 응용한 소자 즉, 광 스위치 같은 다양한 소자에 응용 가능하다.In addition, the bimorph type piezoelectric cell is used in a device that applies these characteristics, i.e., an optical switch, because the displacement and driving force are larger than those of a conventional monomorph type thin film or thick film actuator.
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