專利名稱：基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)和傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于碳納米管場致發(fā)射位移 敏感特性的基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加速度計(jì)。
背景技術(shù)：
近年來，利用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制作的微機(jī)械傳感器特別是加速度計(jì)，以其體積小、成 本低、易于集成和批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、汽車、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。 在微重力測量等航空航天等領(lǐng)域，由于加速度計(jì)的輸出信號比較微弱，若要大幅度提高 加速度計(jì)的測量準(zhǔn)確度， 一方面應(yīng)需要不斷改善測試電路，另一方面還需要從敏感原理上 對傳感器本身進(jìn)行改進(jìn)。目前常見的檢測方式主要有壓阻式、電容式、隧道效應(yīng)式等-壓阻式檢測是通過檢測敏感梁上應(yīng)力的變化來檢測加速度；電容式檢測是通過檢測質(zhì)量 塊位置變化而引起的電容變化來檢測加速度，電容變化量很小,受溫度、雜散電容、電磁 干擾等的影響嚴(yán)重，測試電路的實(shí)現(xiàn)難度非常大；隧道效應(yīng)式是利用隧道電流對位移變化 的敏感特性來檢測加速度，這種傳感器加工難度較大，目前成品率不高。
場致發(fā)射是金屬、半導(dǎo)體等在外部強(qiáng)電場作用下，陰極表面勢壘降低或者減薄，從 而產(chǎn)生量子隧道效應(yīng)，使電子由隧道從固體表面發(fā)射出來。相對其他電子發(fā)射形式而言， 場致電子發(fā)射具有電流密度大、光源尺寸小、能量分布相對較窄、空間相干度高等優(yōu)點(diǎn)， 最關(guān)鍵的它是一種冷電子源，因而場致發(fā)射在真空電子器件、高能加速器電子源、高頻 功率放大元件、平板顯示器件(FED)、掃描電子顯微鏡、集成電路制造以及微傳感器等 領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。
近年來發(fā)展起來的碳納米管是非常好的電子發(fā)射體。其長徑比大，是理想的一維材 料；具有納米尺度的尖端曲率半徑，在相對較低的電壓下就能夠發(fā)射大量的電子，尖端 放電特性非常好；通過合適的生長工藝能排列成與表面垂直的均勻陣列，因此發(fā)射電流密度大，最大可至lOmA/cm2;此外還具有超常的機(jī)械強(qiáng)度、韌性和化學(xué)穩(wěn)定性，可以提
高場致發(fā)射陣列的壽命和強(qiáng)度。
電泳沉積(EPD)制備碳納米管的方法是利用碳納米管在電場作用下帶負(fù)電，易于沉 積在陽極的特點(diǎn)，將碳納米管沉積在我們需要的地方。這種方法操作簡單，適應(yīng)性強(qiáng)， 反應(yīng)溫度低，適合使用在MEMS工藝后的處理，易與MEMS器件相結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服加速度計(jì)靈敏度檢測存在的缺陷，而提供一種基于碳 納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加速度計(jì)，其采用微機(jī)電(MEMS)電泳沉積碳納米管 制備技術(shù)，在芯片(硅島)上制作基于梳齒對結(jié)構(gòu)的碳納米管場致發(fā)射微機(jī)械加速度計(jì)， 具有尺寸小、靈敏性高、功耗低、抗輻射、耐高低溫等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且加工工藝簡單， 易于推廣應(yīng)用。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下-
本發(fā)^提供的基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加速度計(jì)，由一硅質(zhì)上硅片 10和一下玻璃片20組成；其特征在于，所述硅質(zhì)上硅片10包括
一片狀硅島2，所述片狀硅島2相對的兩側(cè)面上帶有垂向可動(dòng)梳齒型陽極6;
分別位于所述片狀硅島2的垂向可動(dòng)梳齒型陽極6端的N對固定在固定塊一1上的 垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射陰極61;所述垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射陰極 61由硅質(zhì)垂向梳齒和通過電泳沉積在所述硅質(zhì)垂向梳齒的垂向側(cè)面上的碳納米管層組 成，其中，N = l 100;
所述垂向可動(dòng)梳齒型陽極6的垂向梳齒插于所述垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射
陰極61的垂向梳齒之間，梳齒間留有間隙；和
分別連接于所述片狀硅島2另外相對兩側(cè)面上的連接于硅質(zhì)固定塊二 71上的回形
梁7;
所述下玻璃片20位于所述硅質(zhì)上硅片IO之下，之間通過在真空腔中濺射或蒸鍍于 所述下玻璃片20與所述硅質(zhì)上硅片10上的各固定塊之間的金屬膜層共熔鍵合連接形成 懸空結(jié)構(gòu)；由固定塊上的金屬膜層引出的接線端子與外置檢測電路電連接。
所述的金屬膜層為依次濺射或蒸鍍于所述下玻璃片20與所述硅質(zhì)上硅片10上的各固定塊之間的Ti膜層、Pt膜層和Ali膜層。
本發(fā)明的基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加速度計(jì)，其垂向固定梳齒型碳 納米管場致發(fā)射陰極61與垂向可動(dòng)梳齒型陽極6間形成的微小真空間隙；由引出的接線 端子3與外設(shè)檢測電路電連接；在垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射陰極61與垂向可動(dòng) 梳齒型陽極6之間形成場發(fā)射結(jié)構(gòu)；在真空中對本基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微 機(jī)械加速度計(jì)施加一定的電壓，垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射陰極61便會(huì)發(fā)射出電 子，片狀硅島2上的垂向可動(dòng)梳齒型陽極6便會(huì)接收到發(fā)射的電子；在加速度的作用下，
片狀硅島2帶動(dòng)垂向可動(dòng)梳齒型陽極6產(chǎn)生位移，導(dǎo)致陰一陽極間的距離即場致發(fā)射距 離發(fā)生變化，從而改變發(fā)射電流；通過檢測電流的變化，可測量由加速度引起的位移，
從而實(shí)現(xiàn)對加速度的檢測。
本發(fā)明的基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加速度計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn) 利用碳納米管場致發(fā)射電流隨位移變化的特性，實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低功耗的加速度測
量；同時(shí)利用梳齒結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對水平方向加速度雙向敏感的微型加速度計(jì)，
而且加工工藝簡單，適合大批量生產(chǎn)，易于推廣應(yīng)用。


圖1為硅質(zhì)上硅片10的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為下玻璃片20的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖4為實(shí)施例1的基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為硅質(zhì)上硅片10的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為下玻璃片20的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為發(fā) 明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；由圖可知，本發(fā)明的基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加 速度計(jì)，由一硅質(zhì)上硅片10和一下玻璃片20組成；
所述硅質(zhì)上硅片10包括
一片狀硅島2，所述片狀硅島2相對的兩側(cè)面上帶有垂向可動(dòng)梳齒型陽極6;
分別位于所述片狀硅島2的垂向可動(dòng)梳齒型陽極6端的N對固定在固定塊一1上的垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射陰極61;所述垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射陰極 61由硅質(zhì)垂向梳齒和通過電泳沉積在所述硅質(zhì)垂向梳齒的垂向側(cè)面上的碳納米管層組 成，其中，N=l 100;
所述垂向可動(dòng)梳齒型陽極6的垂向梳齒插于所述垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射
陰極61的垂向梳齒之間，梳齒間留有間隙；和
分別連接于所述片狀硅島2另外相對兩側(cè)面上的連接于硅質(zhì)固定塊二 71上的回形
梁7;
所述下玻璃片20位于所述硅質(zhì)上硅片10之下，之間通過在真空腔中濺射或蒸鍍于 所述下玻璃片20與所述硅質(zhì)上硅片10上的各固定塊之間的金屬膜層共熔鍵合連接形成 懸空結(jié)構(gòu)；由固定塊上的金屬膜層引出的接線端子與外置檢測電路電連接。
所述的金屬膜層為依次濺射或蒸鍍于所述下玻璃片20與所述硅質(zhì)上硅片10上的各 固定塊之間的Ti膜層、Pt膜層和Au膜層。
硅質(zhì)上硅片10上的回形梁、固定塊一和固定塊二及垂向可動(dòng)梳齒可采用ICP刻蝕 而成；下玻璃片20表面上附著鍵合金屬膜層5，金屬膜層膜層5與上硅片的固定塊位置 相對應(yīng)；將上硅片和下玻璃片對準(zhǔn)，在真空腔中進(jìn)行硅玻璃共熔鍵合連接，形成鍵合后 的懸空結(jié)構(gòu)；由引出的接線端子3與外界的檢測電路相連；封裝完成后，用電泳方法在 垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射陰極61的垂向梳齒的垂向側(cè)面上電泳沉積碳納米管 膜，形成碳納米管發(fā)射陰極；在真空中在梳齒對結(jié)構(gòu)間施加10V-IOOV的電壓，覆有碳納 米管的固定梳齒表面就會(huì)產(chǎn)生一定的電子，通過可動(dòng)梳齒(陽極)接收到這些電子；由 于在加速度的作用下，硅島帶動(dòng)可動(dòng)梳齒產(chǎn)生位移，導(dǎo)致陰一陽極間的距離即場致發(fā)射 距離發(fā)生變化，從而影響發(fā)射電流。通過檢測電流的變化，測量由加速度引起的位移， 從而實(shí)現(xiàn)加速度的檢測。
本發(fā)明的基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加速度計(jì)的制作過程包括硅質(zhì)上 硅片10的制做、下玻璃片20的制做及兩者的鍵合；
硅質(zhì)上硅片IO的制做體硅腐蝕硅島、ICP刻蝕梁和梳齒結(jié)構(gòu)，形成鍵合后的懸空 結(jié)構(gòu)；下玻璃片20的制做濺射或蒸鍍鍵合金屬(金等)膜層；
兩者的鍵合是將硅質(zhì)上硅片10和下玻璃片20對準(zhǔn)，在真空腔中進(jìn)行硅玻璃共熔鍵 合、鍵合好的硅片進(jìn)行劃片、最后將接線端子與外界的檢測電路相連；上述各制作步驟 中采用的工藝方法及其工藝條件、工藝參數(shù)等均為本技術(shù)領(lǐng)域中的公知技術(shù)，在此不予 重復(fù)敘述。
實(shí)施例1
如圖4所示，本實(shí)施例的基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加速度計(jì)由下玻璃 片20和硅質(zhì)上硅片10組成；其制作主要有以下三個(gè)步驟
一、 硅質(zhì)上硅片10的制作
1) 備片，4英寸n(100)雙拋硅片，厚400iim，電阻率2 4QXcm，清洗；
2) 熱氧化Si02，厚3000A;
3) l弁版正面光刻；
4) BHF過腐蝕正面Si02，去膠；
5) KOH腐蝕硅片，深4um，形成梁、質(zhì)量塊與下玻璃片之間的間隙，用臺(tái)階儀測量 淺槽深度；
6) 用去K+水清洗液清洗兩遍，朋F過腐蝕正、反面Si02;
7) 正面注入硼，劑量5E15，能量80kev;清洗，IOO(TC退火，30分鐘；
二、 下玻璃片20的制作
1) 備片，Corning PYREX 7740玻璃，清洗；
2) 2弁版正面光刻；
3) BHF腐蝕玻璃1000-1200 A，約2分鐘，用臺(tái)階儀測量淺槽深度；
4) 濺射金屬Ti/Pt/Au，厚度分別為400 /300 /900 A;
5) 超聲剝離形成金屬電極，清洗； 硅質(zhì)上硅片10和下玻璃片20的組合-
1) 硅片、玻璃片靜電鍵合，360-380°C， 1200-1500V， latm;
2) KOH硅片減薄，減薄至厚度剩50nm (不包含4ym臺(tái)階)；
3) 用去K+清洗液清洗，在硅片表面濺射600 A鋁，作為掩模；4) 3#版光刻，腐蝕鋁(H3P04:HN03:H20:10:1:2. 5)，去膠；
5) 硅片表面涂膠保護(hù)；劃硅面，余厚80ym;丙酮去膠，將整個(gè)4英寸硅片裂片成 為4小片，以保證接下來ICP刻蝕的質(zhì)量；
6) ICP刻蝕硅片，形成梁、梳齒結(jié)構(gòu)，并釋放結(jié)構(gòu)；
最后進(jìn)行裂片，并將芯片(芯片是指？要統(tǒng)一稱謂！)用膠粘于管殼上，鍵合引線。 上述各制作步驟中采用的工藝方法及其工藝條件、工藝參數(shù)等均為本技術(shù)領(lǐng)域中的 公知技術(shù)，在此不予重復(fù)敘述。
工藝設(shè)計(jì)在滿足加速度計(jì)結(jié)構(gòu)和功能的條件下，充分考慮了工藝可行性，盡量減少工藝 步驟，節(jié)省了成本。整個(gè)結(jié)構(gòu)基本采用硅材料，成本低廉，適合于在流水線上大批量生 產(chǎn)；濺射金， 一方面利用其良好的導(dǎo)電性能可以作為發(fā)射陰極和接收陽極的引線，另一
方面也可以實(shí)現(xiàn)硅一玻璃鍵合，這樣可以節(jié)省工藝步驟和材 料。鍵合的目的是行成懸空結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1. 一種基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加速度計(jì)，由一硅質(zhì)上硅片(10)和一下玻璃片(20)組成；其特征在于，所述硅質(zhì)上硅片(10)包括一片狀硅島(2)，所述片狀硅島(2)相對的兩側(cè)面上帶有垂向可動(dòng)梳齒型陽極(6)；分別位于所述片狀硅島(2)的垂向可動(dòng)梳齒型陽極(6)端的N對固定在固定塊一(1)上的垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射陰極(61)；所述垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射陰極(61)由硅質(zhì)垂向梳齒和通過電泳沉積在所述硅質(zhì)垂向梳齒的垂向側(cè)面上的碳納米管層組成，其中，N＝1～100；所述垂向可動(dòng)梳齒型陽極(6)的垂向梳齒插于所述垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射陰極(61)的垂向梳齒之間，梳齒間留有間隙；和分別連接于所述片狀硅島(2)另外相對兩側(cè)面上的連接于硅質(zhì)固定塊二(71)上的回形梁(7)；所述下玻璃片(20)位于所述硅質(zhì)上硅片(10)之下，之間通過在真空腔中濺射或蒸鍍于所述下玻璃片(20)與所述硅質(zhì)上硅片(10)上的各固定塊之間的金屬膜層共熔鍵合連接形成懸空結(jié)構(gòu)；由固定塊上的金屬膜層引出的接線端子與外置檢測電路電連接。
2、按權(quán)利要求1所述的基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加速度計(jì)，其特征在于，所述的金屬膜層為依次濺射或蒸鍍于所述下玻璃片(20)與所述硅質(zhì)上 硅片(10)上的各固定塊之間的Ti膜層、Pt膜層和Au膜層。
全文摘要
一種基于碳納米管場致發(fā)射的梳齒結(jié)構(gòu)微機(jī)械加速度計(jì)，由硅質(zhì)上硅片和下玻璃組成；上硅片包括硅島相對的兩側(cè)面上帶有垂向可動(dòng)梳齒型陽極；分別位于硅島陽極端的N對固定于固定塊的垂向固定梳齒型碳納米管場致發(fā)射陰極；該陰極由硅質(zhì)垂向梳齒和通過電泳沉積在該梳齒的垂向側(cè)面上的碳納米管層組成成，N＝1～100；陽極和陰極的垂向梳齒相互插于其間，齒間留有間隙；和分別連接于硅島另外相對兩側(cè)面上的連接于硅質(zhì)固定塊上的回形梁；下玻璃片位上硅片下，之間通過在真空腔中濺射或蒸鍍于下玻璃片與各固定塊間的金屬膜層共熔鍵合成懸空結(jié)構(gòu)；由固定塊上的金屬膜層引出接線端子與外置檢測電路連接。具加工簡單，易推廣和抗輻射、耐高低溫等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01P15/08GK101470131SQ20071030456
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者葉雄英, 周兆英, 郭琳瑞, 烽 陳 申請人:清華大學(xué)