专利名称：基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计的制作方法
技术领域：
本发明属于微机电系统和传感技术领域，特别涉及一种基于碳纳米管场致发射位移 敏感特性的基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计。
背景技术：
近年来，利用微机电系统技术制作的微机械传感器特别是加速度计，以其体积小、成 本低、易于集成和批量生产等优点，在军事、汽车、航天、医疗等领域获得广泛的应用。 在微重力测量等航空航天等领域，由于加速度计的输出信号比较微弱，若要大幅度提高 加速度计的测量准确度， 一方面应需要不断改善测试电路，另一方面还需要从敏感原理上 对传感器本身进行改进。目前常见的检测方式主要有压阻式、电容式、隧道效应式等-压阻式检测是通过检测敏感梁上应力的变化来检测加速度；电容式检测是通过检测质量 块位置变化而引起的电容变化来检测加速度，电容变化量很小,受温度、杂散电容、电磁 干扰等的影响严重，测试电路的实现难度非常大；隧道效应式是利用隧道电流对位移变化 的敏感特性来检测加速度，这种传感器加工难度较大，目前成品率不高。
场致发射是金属、半导体等在外部强电场作用下，阴极表面势垒降低或者减薄，从 而产生量子隧道效应，使电子由隧道从固体表面发射出来。相对其他电子发射形式而言， 场致电子发射具有电流密度大、光源尺寸小、能量分布相对较窄、空间相干度高等优点， 最关键的它是一种冷电子源，因而场致发射在真空电子器件、高能加速器电子源、高频 功率放大元件、平板显示器件(FED)、扫描电子显微镜、集成电路制造以及微传感器等 领域有着广泛应用。
近年来发展起来的碳纳米管是非常好的电子发射体。其长径比大，是理想的一维材 料；具有纳米尺度的尖端曲率半径，在相对较低的电压下就能够发射大量的电子，尖端 放电特性非常好；通过合适的生长工艺能排列成与表面垂直的均匀阵列，因此发射电流密度大，最大可至lOmA/cm2;此外还具有超常的机械强度、韧性和化学稳定性，可以提
高场致发射阵列的寿命和强度。
电泳沉积(EPD)制备碳纳米管的方法是利用碳纳米管在电场作用下带负电，易于沉 积在阳极的特点，将碳纳米管沉积在我们需要的地方。这种方法操作简单，适应性强， 反应温度低，适合使用在MEMS工艺后的处理，易与MEMS器件相结合。
发明内容
本发明的目的在于克服加速度计灵敏度检测存在的缺陷，而提供一种基于碳 纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计，其采用微机电(MEMS)电泳沉积碳纳米管 制备技术，在芯片(硅岛)上制作基于梳齿对结构的碳纳米管场致发射微机械加速度计， 具有尺寸小、灵敏性高、功耗低、抗辐射、耐高低温等诸多优点，而且加工工艺简单， 易于推广应用。
本发明的技术方案如下-
本发^提供的基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计，由一硅质上硅片 10和一下玻璃片20组成；其特征在于，所述硅质上硅片10包括
一片状硅岛2，所述片状硅岛2相对的两侧面上带有垂向可动梳齿型阳极6;
分别位于所述片状硅岛2的垂向可动梳齿型阳极6端的N对固定在固定块一1上的 垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极61;所述垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极 61由硅质垂向梳齿和通过电泳沉积在所述硅质垂向梳齿的垂向侧面上的碳纳米管层组 成，其中，N = l 100;
所述垂向可动梳齿型阳极6的垂向梳齿插于所述垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射
阴极61的垂向梳齿之间，梳齿间留有间隙；和
分别连接于所述片状硅岛2另外相对两侧面上的连接于硅质固定块二 71上的回形
梁7;
所述下玻璃片20位于所述硅质上硅片IO之下，之间通过在真空腔中溅射或蒸镀于 所述下玻璃片20与所述硅质上硅片10上的各固定块之间的金属膜层共熔键合连接形成 悬空结构；由固定块上的金属膜层引出的接线端子与外置检测电路电连接。
所述的金属膜层为依次溅射或蒸镀于所述下玻璃片20与所述硅质上硅片10上的各固定块之间的Ti膜层、Pt膜层和Ali膜层。
本发明的基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计，其垂向固定梳齿型碳 纳米管场致发射阴极61与垂向可动梳齿型阳极6间形成的微小真空间隙；由引出的接线 端子3与外设检测电路电连接；在垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极61与垂向可动 梳齿型阳极6之间形成场发射结构；在真空中对本基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微 机械加速度计施加一定的电压，垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极61便会发射出电 子，片状硅岛2上的垂向可动梳齿型阳极6便会接收到发射的电子；在加速度的作用下，
片状硅岛2带动垂向可动梳齿型阳极6产生位移，导致阴一阳极间的距离即场致发射距 离发生变化，从而改变发射电流；通过检测电流的变化，可测量由加速度引起的位移，
从而实现对加速度的检测。
本发明的基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计具有如下优点 利用碳纳米管场致发射电流随位移变化的特性，实现高灵敏度、低功耗的加速度测
量；同时利用梳齿结构的优点，可以实现对水平方向加速度双向敏感的微型加速度计，
而且加工工艺简单，适合大批量生产，易于推广应用。
图1为硅质上硅片10的结构示意图； 图2为下玻璃片20的结构示意图； 图3为发明的整体结构示意图4为实施例1的基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计的结构示意图。
具体实施例方式
图1为硅质上硅片10的结构示意图；图2为下玻璃片20的结构示意图；图3为发 明的整体结构示意图；由图可知，本发明的基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加 速度计，由一硅质上硅片10和一下玻璃片20组成；
所述硅质上硅片10包括
一片状硅岛2，所述片状硅岛2相对的两侧面上带有垂向可动梳齿型阳极6;
分别位于所述片状硅岛2的垂向可动梳齿型阳极6端的N对固定在固定块一1上的垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极61;所述垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极 61由硅质垂向梳齿和通过电泳沉积在所述硅质垂向梳齿的垂向侧面上的碳纳米管层组 成，其中，N=l 100;
所述垂向可动梳齿型阳极6的垂向梳齿插于所述垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射
阴极61的垂向梳齿之间，梳齿间留有间隙；和
分别连接于所述片状硅岛2另外相对两侧面上的连接于硅质固定块二 71上的回形
梁7;
所述下玻璃片20位于所述硅质上硅片10之下，之间通过在真空腔中溅射或蒸镀于 所述下玻璃片20与所述硅质上硅片10上的各固定块之间的金属膜层共熔键合连接形成 悬空结构；由固定块上的金属膜层引出的接线端子与外置检测电路电连接。
所述的金属膜层为依次溅射或蒸镀于所述下玻璃片20与所述硅质上硅片10上的各 固定块之间的Ti膜层、Pt膜层和Au膜层。
硅质上硅片10上的回形梁、固定块一和固定块二及垂向可动梳齿可采用ICP刻蚀 而成；下玻璃片20表面上附着键合金属膜层5，金属膜层膜层5与上硅片的固定块位置 相对应；将上硅片和下玻璃片对准，在真空腔中进行硅玻璃共熔键合连接，形成键合后 的悬空结构；由引出的接线端子3与外界的检测电路相连；封装完成后，用电泳方法在 垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极61的垂向梳齿的垂向侧面上电泳沉积碳纳米管 膜，形成碳纳米管发射阴极；在真空中在梳齿对结构间施加10V-IOOV的电压，覆有碳纳 米管的固定梳齿表面就会产生一定的电子，通过可动梳齿(阳极)接收到这些电子；由 于在加速度的作用下，硅岛带动可动梳齿产生位移，导致阴一阳极间的距离即场致发射 距离发生变化，从而影响发射电流。通过检测电流的变化，测量由加速度引起的位移， 从而实现加速度的检测。
本发明的基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计的制作过程包括硅质上 硅片10的制做、下玻璃片20的制做及两者的键合；
硅质上硅片IO的制做体硅腐蚀硅岛、ICP刻蚀梁和梳齿结构，形成键合后的悬空 结构；下玻璃片20的制做溅射或蒸镀键合金属(金等)膜层；
两者的键合是将硅质上硅片10和下玻璃片20对准，在真空腔中进行硅玻璃共熔键 合、键合好的硅片进行划片、最后将接线端子与外界的检测电路相连；上述各制作步骤 中采用的工艺方法及其工艺条件、工艺参数等均为本技术领域中的公知技术，在此不予 重复叙述。
实施例1
如图4所示，本实施例的基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计由下玻璃 片20和硅质上硅片10组成；其制作主要有以下三个步骤
一、 硅质上硅片10的制作
1) 备片，4英寸n(100)双抛硅片，厚400iim，电阻率2 4QXcm，清洗；
2) 热氧化Si02，厚3000A;
3) l弁版正面光刻；
4) BHF过腐蚀正面Si02，去胶；
5) KOH腐蚀硅片，深4um，形成梁、质量块与下玻璃片之间的间隙，用台阶仪测量 浅槽深度；
6) 用去K+水清洗液清洗两遍，朋F过腐蚀正、反面Si02;
7) 正面注入硼，剂量5E15，能量80kev;清洗，IOO(TC退火，30分钟；
二、 下玻璃片20的制作
1) 备片，Corning PYREX 7740玻璃，清洗；
2) 2弁版正面光刻；
3) BHF腐蚀玻璃1000-1200 A，约2分钟，用台阶仪测量浅槽深度；
4) 溅射金属Ti/Pt/Au，厚度分别为400 /300 /900 A;
5) 超声剥离形成金属电极，清洗； 硅质上硅片10和下玻璃片20的组合-
1) 硅片、玻璃片静电键合，360-380°C， 1200-1500V， latm;
2) KOH硅片减薄，减薄至厚度剩50nm (不包含4ym台阶)；
3) 用去K+清洗液清洗，在硅片表面溅射600 A铝，作为掩模；4) 3#版光刻，腐蚀铝(H3P04:HN03:H20:10:1:2. 5)，去胶；
5) 硅片表面涂胶保护；划硅面，余厚80ym;丙酮去胶，将整个4英寸硅片裂片成 为4小片，以保证接下来ICP刻蚀的质量；
6) ICP刻蚀硅片，形成梁、梳齿结构，并释放结构；
最后进行裂片，并将芯片(芯片是指？要统一称谓！)用胶粘于管壳上，键合引线。 上述各制作步骤中采用的工艺方法及其工艺条件、工艺参数等均为本技术领域中的 公知技术，在此不予重复叙述。
工艺设计在满足加速度计结构和功能的条件下，充分考虑了工艺可行性，尽量减少工艺 步骤，节省了成本。整个结构基本采用硅材料，成本低廉，适合于在流水线上大批量生 产；溅射金， 一方面利用其良好的导电性能可以作为发射阴极和接收阳极的引线，另一
方面也可以实现硅一玻璃键合，这样可以节省工艺步骤和材 料。键合的目的是行成悬空结构。
权利要求
1. 一种基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计，由一硅质上硅片(10)和一下玻璃片(20)组成；其特征在于，所述硅质上硅片(10)包括一片状硅岛(2)，所述片状硅岛(2)相对的两侧面上带有垂向可动梳齿型阳极(6)；分别位于所述片状硅岛(2)的垂向可动梳齿型阳极(6)端的N对固定在固定块一(1)上的垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极(61)；所述垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极(61)由硅质垂向梳齿和通过电泳沉积在所述硅质垂向梳齿的垂向侧面上的碳纳米管层组成，其中，N＝1～100；所述垂向可动梳齿型阳极(6)的垂向梳齿插于所述垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极(61)的垂向梳齿之间，梳齿间留有间隙；和分别连接于所述片状硅岛(2)另外相对两侧面上的连接于硅质固定块二(71)上的回形梁(7)；所述下玻璃片(20)位于所述硅质上硅片(10)之下，之间通过在真空腔中溅射或蒸镀于所述下玻璃片(20)与所述硅质上硅片(10)上的各固定块之间的金属膜层共熔键合连接形成悬空结构；由固定块上的金属膜层引出的接线端子与外置检测电路电连接。
2、按权利要求1所述的基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计，其特征在于，所述的金属膜层为依次溅射或蒸镀于所述下玻璃片(20)与所述硅质上 硅片(10)上的各固定块之间的Ti膜层、Pt膜层和Au膜层。
全文摘要
一种基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计，由硅质上硅片和下玻璃组成；上硅片包括硅岛相对的两侧面上带有垂向可动梳齿型阳极；分别位于硅岛阳极端的N对固定于固定块的垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极；该阴极由硅质垂向梳齿和通过电泳沉积在该梳齿的垂向侧面上的碳纳米管层组成成，N＝1～100；阳极和阴极的垂向梳齿相互插于其间，齿间留有间隙；和分别连接于硅岛另外相对两侧面上的连接于硅质固定块上的回形梁；下玻璃片位上硅片下，之间通过在真空腔中溅射或蒸镀于下玻璃片与各固定块间的金属膜层共熔键合成悬空结构；由固定块上的金属膜层引出接线端子与外置检测电路连接。具加工简单，易推广和抗辐射、耐高低温等优点。
文档编号G01P15/08GK101470131SQ20071030456
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者叶雄英, 周兆英, 郭琳瑞, 烽 陈 申请人:清华大学