專利名稱：基于孔縫應(yīng)力集中的壓阻式微懸臂梁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及傳感器，尤其涉及一種基于孔縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的壓阻式微 懸臂梁傳感器。 技術(shù)背景
近年來，基于微懸臂梁結(jié)構(gòu)的傳感器已成為微機電系統(tǒng)領(lǐng)域一個廣泛關(guān)注的 研究熱點。該類傳感器具有高靈敏度、高分辨率、快速響應(yīng)和微型化等特點， 被廣泛應(yīng)用于生化傳感檢測等領(lǐng)域。測量微懸臂梁彎曲的方法有光學(xué)和電學(xué)方 法。光學(xué)法具有靈敏度高，但系統(tǒng)復(fù)雜，且光學(xué)系統(tǒng)需要精密校準(zhǔn)限制了其廣 泛應(yīng)用，電學(xué)法有壓阻式、壓電式、電容式等，靈敏度相較光學(xué)法要低，但操 作簡單，易于集成。其中作為應(yīng)力檢測的微懸臂梁傳感器，由于具有結(jié)構(gòu)簡單、 靈敏度高、在線檢測性能優(yōu)良等優(yōu)點在環(huán)境監(jiān)測、食品安全、航天軍事等領(lǐng)域 具有廣闊的應(yīng)用前景。該傳感器的核心部件是單晶硅或氮化硅懸臂梁以及對應(yīng) 力變化敏感的壓敏電阻元件。檢測時外力作用于檢測懸臂梁表面，產(chǎn)生表面應(yīng) 力變化導(dǎo)致懸臂梁彎曲，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，由此導(dǎo)致集成在微懸臂梁表面的壓阻 元件的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而通過惠斯通電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。
目前在環(huán)境監(jiān)測、生化檢測、醫(yī)療診斷、航天軍事等領(lǐng)域需要大量的高靈敏 度高帶寬的微懸臂梁傳感器。微懸臂梁傳感器應(yīng)力檢測的靈敏度取決于懸臂梁 的幾何尺寸，如梁的長度和厚度，而帶寬則取決于懸臂梁的第一階固有頻率。 目前提高微懸臂梁應(yīng)力檢測靈敏度的方法主要是改變懸臂梁的幾何尺寸，如減 小懸臂梁的厚度，但減小厚度將會降低懸臂梁的剛度，而剛度的減小則會降低 懸臂梁的第一階固有頻率，進(jìn)而減小微懸臂梁檢測的帶寬。因此，采用傳統(tǒng)的 減小懸臂梁厚度來提高應(yīng)力檢測靈敏度的方法，不能保持高帶寬的要求。
對于微懸臂梁式應(yīng)力檢測傳感器，有關(guān)微懸臂梁結(jié)構(gòu)、壓阻元件等的介紹，
請參見參考文獻(xiàn)[M.H. Bao， "Analysis and Design Principles of MEMS Devices," Elsevier, 2005.] ， [Chang Liu， "Foundations of MEMS," Prentice Hall， 2006.]。對于 常見的單晶硅壓阻式微懸臂梁傳感器技術(shù)，請參見參考文獻(xiàn)[A. Boisen， J. Thaysen， H. Jensenius， O. Hansen, Environmental Sensors based on Micromachined cantilevers with integrated read畫out， Ultramicroscopy， 82 (2000): 11腸16]， [J. Thaysen， A. Boisen， O.Hansen, S. Bouwstra， Atomic force microscopy probe withpiezoresistive read-out and a highly symmetrical Wheatstone bridge arrangement, Sensors and Actuators, A 83(2000):47-53.]， [P.A. Rasmussen, J. Thaysen, O. Hansen, S.C. Eriksen， A. Boisen， Optimised cantilever biosensor with piezoresistive read-out, Ultramicroscopy， 97 (2003):371-376] [A. Choudhury， P.J. Hesketh, T. Thundat, Z.Y. Hu, A piezoresistive microcantilever array for surface stress measurement- curvature model and fabrication, J. Micromech. Micheng.， 17 (2007):2065畫2076]。對于壓阻式 微懸臂梁傳感器，采用具有較小楊氏模量材料(SOI硅片的中間二氧化硅層相比 單晶硅等具有較小的楊氏模量)制作的懸臂梁在同等條件下將產(chǎn)生較大的彎曲 應(yīng)力，而通常壓阻式微懸臂梁采用楊氏模量相對較大的單晶硅或氮化硅材料不 利于產(chǎn)生較大的彎曲變形。另外，在微懸臂梁表面制作的壓阻元件越薄，則感 應(yīng)的彎曲應(yīng)力越大，因此檢測的靈敏度也就越高，請參見參考文獻(xiàn)[A. Choudhury, RJ. Hesketh, T. Thundat， Z.Y. Hu， A piezoresistive microcantilever array for surface stress measurement- curvature model and fabrication, J. Micromech. Micheng., 17 (2007):2065-2076]。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種基于孔縫應(yīng)力集中的壓阻式微懸臂梁傳感 器，以提高應(yīng)力檢測的分辨率、靈敏度，且保持較高的測量帶寬要求。
本實用新型所采用的技術(shù)方案如下 一種基于孔縫應(yīng)力集中的壓阻式微懸臂梁傳感器
包括檢測懸臂梁、參考懸臂梁和四個完全相同的壓阻敏感電阻構(gòu)成的惠斯通 電橋；檢測懸臂梁上刻蝕出三個矩形孔縫作為應(yīng)力集中區(qū)域；采用SOI硅片中 間的二氧化硅層作為微懸臂梁的主體，上面的單晶硅層作為微懸臂梁上的壓阻 元件，并通過熱氧化工藝將單晶硅壓阻元件四周用二氧化硅絕緣層完全包覆； 壓阻元件的兩個引出端位于SOI硅片的襯底處，檢測懸臂梁和參考懸臂梁上的 壓阻元件具有相同特性，互為鄰邊與另外兩個位于襯底上的壓阻元件，共同構(gòu) 成惠斯通電橋。
所述參考懸臂梁的長度為檢測懸臂梁長度的1/3-2/3 。
所述構(gòu)成傳感單元的惠斯通電橋的四個壓阻元件四周用二氧化硅絕緣層完 全包覆，由金屬線連接，呈U形設(shè)置于懸臂梁主體和襯底表面上。
所述硅片為p型或n型(100)晶面的SOI硅片，檢測懸臂梁的長度為200 1000微米，寬度為50 200微米，厚度為3 10微米，參考懸臂梁的長度為100 500微米，寬度為10 200微米，厚度為3 10微米。所述壓阻元件的長、寬尺寸為200x20微米。
本實用新型的有益效果是
(1) 在檢測懸臂梁上刻蝕出三個矩形的孔縫結(jié)構(gòu)作為應(yīng)力集中區(qū)域，利用 孔縫結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中效應(yīng)帶來的豐富的應(yīng)力集中信息來提高應(yīng)力檢測的靈敏 度，而孔縫結(jié)構(gòu)的引入對懸臂梁的剛度影響很小，故對懸臂梁的固有頻率和測
量帶寬影響不大，從而實現(xiàn)微懸臂梁傳感器高靈敏度高帶寬測量的設(shè)計需求；
(2) 采用SOI硅片中楊氏模量相對較小的二氧化硅層作為微懸臂梁的主 體，在應(yīng)力檢測時可獲得較大的彎曲應(yīng)力，提高檢測的靈敏度。
本實用新型可應(yīng)用于多種壓阻式MEMS結(jié)構(gòu)，如力傳感器、微陀螺、諧振 器等，在環(huán)境檢測、食品安全、航天軍事等領(lǐng)域均可應(yīng)用。

圖l本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本實用新型微懸臂梁上的壓阻敏感電阻和襯底上的壓阻敏感電阻布局 圖及構(gòu)成的惠斯通電橋示意圖。
圖3本實用新型的制作工藝流程圖。
圖中1、檢測懸臂梁，2、參考懸臂梁，3、襯底，4、矩形孔縫，5、底層 硅，6、中間二氧化硅層，7、頂層硅，8、 二氧化硅絕緣層，9、壓阻敏感電阻， 10、引線孔，11、鋁薄膜。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本實用新型屬于微機電系統(tǒng)壓阻式微懸臂梁傳感器。傳感單元包括檢測懸臂 梁1，參考懸臂梁2和四個完全相同的壓阻敏感電阻R1， R2， R3, R4組成的 惠斯通電橋。如圖1，撿測懸臂梁1上刻蝕出三個等距離排列的矩形孔縫4作為 應(yīng)力集中區(qū)域，參考懸臂梁2上沒有孔縫結(jié)構(gòu)。如圖2 (a)所示，兩個集成在 懸臂梁表面的壓阻元件R1、 R3分別位于兩個懸臂梁上(R1呈U形環(huán)繞矩形孔 縫結(jié)構(gòu)布置在微懸臂梁表面，并靠近微懸臂梁的根部，R3呈U形位于參考懸臂 梁上)，和另外兩個與其在同一襯底3上的具有相同特性的單晶硅壓阻元件R2， R4共同構(gòu)成惠斯通電橋。壓阻元件的兩個引出端分別位于硅片襯底3處，四周 均由二氧化硅包覆，以形成很好的電絕緣層。圖2 (b)為惠斯通電橋連接示意 圖，兩懸臂梁上的壓阻元件互為鄰邊，兩襯底上的壓阻元件也互為鄰邊，四個壓阻元件通過金屬導(dǎo)線連接成惠斯通電橋回路。利用SOI硅片的結(jié)構(gòu)特點(從 上至下依次為頂層單晶硅器件層、中間二氧化硅層、底層單晶硅)，將具有較小 楊氏模量的中間二氧化硅層作為微懸臂梁的主體結(jié)構(gòu)，而將頂層的單晶硅層作 為懸臂梁上的壓阻敏感電阻材料，使梁對外力作用下產(chǎn)生的表面應(yīng)力具有較大 的彎曲響應(yīng)，從而產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力提高檢測的靈敏度。
在檢測微懸臂梁上刻蝕出矩形的孔縫結(jié)構(gòu)，在同等受力條件下，環(huán)繞矩形孔 縫周圍并靠近懸臂梁的根部處會出現(xiàn)局部的應(yīng)力集中。由此環(huán)繞矩形孔縫的壓 阻敏感電阻的電阻值發(fā)生變化，而組成惠斯通電橋的其他三個壓阻元件的阻值 并無太大變化，于是外力作用引起的微懸臂梁表面應(yīng)力的變化，以及孔縫結(jié)構(gòu) 引起的應(yīng)力集中將轉(zhuǎn)變?yōu)榛菟雇姌蜉敵龅碾妷盒盘?，能較大的提高應(yīng)力檢測 的靈敏度。而孔縫結(jié)構(gòu)的引入對微懸臂梁的剛度減小不多，因此對微懸臂梁的 固有頻率改變不大，所以能夠保
證傳感器的測量帶寬要求。采用雙懸臂粱結(jié)構(gòu)，由于處在同一環(huán)境中，環(huán)境變 化(如溫度、噪聲等)引起的干擾通過兩根梁的差分輸出可以被大大減小，提
高檢測的分辨率。且參考懸臂梁長度為檢測懸臂梁長度的1/3 2/3，可以避免長 度相同引起的共振。
實施例中，檢測懸臂梁的設(shè)計尺寸為400xl40x5iim,參考懸臂梁的設(shè)計尺寸 為200xl40x5pm,三個矩形孔縫尺寸為50x20x5pm，組成惠斯通電橋的四個完 全相同的力敏電阻尺寸為200x20pm。檢測時懸臂梁受力后應(yīng)力的分布取決于懸 臂梁的尺寸和施加的力，可以證明最大的應(yīng)力發(fā)生在懸臂梁的表面并靠近根部 位置，孔縫結(jié)構(gòu)的引入使其周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。用Stoney公式推導(dǎo)出此時 懸臂梁上的應(yīng)力差分ov與懸臂梁端點的垂直位移血的關(guān)系為
其中，^為懸臂梁的厚度，丄為懸臂梁的長度，五為楊氏模量，v為泊松比， 血為懸臂梁端點的垂直位移。由此看出，應(yīng)力檢測與懸臂梁的寬度因素影響不 大，經(jīng)推導(dǎo)壓阻敏感電阻的長度為檢測懸臂梁長度40%左右的時候具有較大的 檢測靈敏度。
由于孔縫結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中效應(yīng)，引入應(yīng)力集中系數(shù)&，則此時微懸臂梁上的 應(yīng)力分布cr為--0"=《CT, (2)
對于p型硅的壓阻效應(yīng)，力敏電阻的相對變化率AR/R表示為
j = o",+;r,cr( 、:U
其中，；r,， ；r,為縱向和橫向的壓阻系數(shù)，但對于p型硅材料和懸臂梁結(jié)構(gòu)特
點、》^，將(2)式代入(3)式，則有
= ;r,o", + ;r,(T, ",《CT/ ( 4 )
當(dāng)懸臂梁由于外力的作用產(chǎn)生形變時，在偏壓Fce作用于惠斯通電橋時，電
橋的輸出為
+矽義(5 )
微懸臂梁測量靈敏度的定義為電阻的相對變化與懸臂梁端點偏移量之比。將
(1)式計算的應(yīng)力結(jié)果帶入(4)式，可得到電阻的相對變化隨力的變化關(guān)系，
懸臂梁的測量靈敏度可表示為-
、j^L (6) i 3(1-v)f
本實用新型的微懸臂梁傳感器制作工藝如圖3 (A) ~ (G)所示，如下是制 作的實例說明
(A) 采用p型(100)晶面的SOI硅片作為制備微懸臂梁的材料，SOI硅 片由下層硅基體5、中間氧化層6、頂層單晶硅器件層7組成。
(B) 將頂層硅器件層7通過熱氧化形成二氧化硅絕緣層8，減薄至0.2微 米稍厚于壓阻層的厚度。
(C) 依次光刻和腐蝕形成壓阻元件的掩模圖形。反應(yīng)離子刻蝕掉掩模未阻 擋的頂層硅直至暴露出SOI硅片的中間二氧化硅層，形成壓阻敏感電阻的圖形。
(D) 用離子注入方式形成壓阻敏感電阻9，對于p型摻雜，懸臂梁的取向 為<110>晶向，形成單晶硅壓阻敏感電阻層。熱氧化生長出厚度為0.1微米的氧 化層，使壓阻敏感電阻完全被薄二氧化硅絕緣層所包覆，在900 1050'C下退火 30分鐘以上，以激活注入的硼離子形成具有壓阻效應(yīng)的敏感電阻。
(E) 用光刻膠做掩模，光刻出壓阻引線孔圖形，用氫氟酸腐蝕掉氧化硅形 成引線孔IO。濺射一層鋁薄膜ll，依次光刻、腐蝕、去膠后形成金屬鋁引線， 連接各個壓阻元件形成惠斯通電橋回路。合金化工藝形成歐姆接觸，在鋁線上
7濺射一層鉻薄膜，并通過光刻、刻蝕形成完全包覆鋁線的鉻鈍化層。
(F) 在硅片正面光刻形成氧化硅懸臂梁和三個矩形孔縫4的掩模圖形，用 氫氟酸或干法刻蝕氧化硅層直至露出SOI硅片的底層硅為止，形成含矩形孔縫 結(jié)構(gòu)的微懸臂梁圖形。
(G) 從硅片背面進(jìn)行硅的深刻反應(yīng)離子刻蝕，刻蝕直至暴露出SOI硅片中 間氧化層，釋放出懸臂梁結(jié)構(gòu)，完成微懸臂梁的制作。
權(quán)利要求1、一種基于孔縫應(yīng)力集中的壓阻式微懸臂梁傳感器，其特征在于包括檢測懸臂梁(1)、參考懸臂梁(2)和四個完全相同的壓阻敏感電阻構(gòu)成的惠斯通電橋；檢測懸臂梁(1)上刻蝕出三個矩形孔縫(4)作為應(yīng)力集中區(qū)域；采用SOI硅片中間的二氧化硅層作為微懸臂梁的主體，上面的單晶硅層作為微懸臂梁上的壓阻元件，并通過熱氧化工藝將單晶硅壓阻元件四周用二氧化硅絕緣層完全包覆；壓阻元件的兩個引出端位于SOI硅片的襯底(3)處，檢測懸臂梁和參考懸臂梁上的壓阻元件具有相同特性，互為鄰邊與另外兩個位于襯底(3)上的壓阻元件，共同構(gòu)成惠斯通電橋。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于孔縫應(yīng)力集中的壓阻式微懸臂梁傳感 器，其特征在于所述參考懸臂梁(2)的長度為檢測懸臂梁(1)長度的1/3-2/3。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于孔縫應(yīng)力集中的壓阻式微懸臂梁傳感 器，其特征在于所述構(gòu)成傳感單元的惠斯通電橋的四個壓阻元件四周用二氧 化硅絕緣層完全包覆，由金屬線連接，呈U形設(shè)置于懸臂梁主體和襯底表面上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于孔縫應(yīng)力集中的壓阻式微懸臂梁傳感 器，其特征在于所述硅片為p型或n型(100)晶面的SOI硅片，檢測懸臂梁(1)的長度為200 1000微米，寬度為50 200微米，厚度為3 10微米，參 考懸臂梁(2)的長度為100 500微米，寬度為10 200微米，厚度為3 10 微米。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于孔縫應(yīng)力集中的壓阻式微懸臂梁傳感 器，其特征在于所述壓阻元件的長、寬尺寸為200x20微米。
專利摘要本實用新型公開了一種基于孔縫應(yīng)力集中的壓阻式微懸臂梁傳感器、傳感單元由兩根微懸臂梁和組成惠斯通電橋的四個完全相同的力敏電阻構(gòu)成，采用SOI硅片的中間氧化層作為懸臂梁的主體，其中一個所述懸臂梁作為檢測懸臂梁，其上刻蝕出三個矩形孔縫作為應(yīng)力集中區(qū)域，另一個所述懸臂梁作為參考懸臂梁，其上未加工孔縫結(jié)構(gòu)。兩個所述力敏電阻設(shè)置在所述兩根懸臂梁上，另外兩個所述電阻位于硅片襯底上。本實用新型可以極大提高微懸臂梁傳感器應(yīng)力檢測的靈敏度，且保持較高的測量帶寬。本實用新型可應(yīng)用于多種壓阻式MEMS結(jié)構(gòu)，如力傳感器、微陀螺、諧振器等，在環(huán)境檢測、食品安全、航天軍事等領(lǐng)域均可應(yīng)用。
文檔編號G01L1/18GK201331399SQ20082016810
公開日2009年10月21日 申請日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者梅德慶, 汪延成, 陳子辰 申請人:浙江大學(xué)