专利名称：一种微纳结构的惯性传感器本体及其制作方法
技术领域：
本发明涉及纳机电系统(NEMS)和传感技术领域，特别涉及一种可实现高灵敏度测量的、基于微纳结构的惯性传感器本体及其制作方法。
背景技术：
基于微机电系统(MEMS)的惯性传感器包括微陀螺仪和微加速度计，在工业自动化、汽车、家电、建筑、航空航天和国防等领域有广泛的应用前景。通常的微型惯性传感器一般具有微梁支撑质量块的结构，其材料基本上也都是微加工常用的材料——硅或金属，其质量块的面尺寸一般为百微米至毫米，梁截面尺寸也在微米量级。谐振式传感器具有灵敏度高、便于数字输出等优点，被认为是一种很有前景的传感方式。谐振式微加速度计的工作原理是驱动弹性梁——质量块结构在谐振点振动，有加速度作用时，其谐振频率将产生变化，从而通过谐振频率的测量来达到测量加速度的目的。弹性梁——质量块结构在谐振时振幅最大，采用包括压阻式、电容式或光学测量等方法可以测得其振幅并反馈给驱动电路，使得弹性梁-质量块结构始终在谐振点振动。当有加速度作用时，弹性梁-质量块结构的谐振频率会发生变化，通过检测谐振频率的变化可以检测加速度的大小(参考文献[1]B.L.Lee，C.H.Oh，Y.S.Oh，K.Chun，A novel resonant accelerometer variable electrostaticstiffness type，Proc.Transducers 99(1999)1546-1549.)。
随着碳纳米管等纳米材料研究的进展，利用纳米材料表现出的独特的力、电、热、光、磁等特性进行新型纳机电传感器件的研究逐渐成为纳米技术和NEMS研究的一个热点。利用纳米尺度下物质和结构在物理学、化学和生物学中的新效应、新性质，传感器性能将发生飞越性提高(参考文献[2]吴鹰飞，周兆英，冯焱颖，章刚华.纳米技术及其前景.科技通报，2003，19(1)42-47)。其中，一维纳米材料在传感器研究中得到高度的重视，尤其是碳纳米管，具有重量轻、强度极高、弹性模量高、弹性好，并同时具有纳米级直径微米级长度，长径比可达100-1000等特点(参考文献[3]Dong Shurong，Zhang Xiaobin，Tu Jiangping，Wang Chun sheng，Liu Maosen.A NewType NanometreMaterial-Carbon Nanotube.Materials Science & Engineering.Vol.16，199819-24)，可望用于NEMS器件，代替MEMS器件中的微量，使其实现更高的性能。常用微机械惯性传感器采用硅微工艺技术，不但在硅片上刻蚀出加速度计的敏感块，还蚀刻出所需要的挠性支撑。而基于MEMS技术加工的挠性支撑无法实现一维纳米材料所具有的极小的直径和极高的长径比。因此将一维纳米材料与微结构组装可实现极小尺寸下的高灵敏度测量，利用一维纳米材料自身的多项优质物理性能也可使信号采集的方式多样化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用一维纳米材料与微结构结合的、具有重量轻、强度高、弹性模量也高的、能实现更高灵敏度的惯性加速度测量的传感器本体；以及提供一种制作惯性加速度测量的传感器本体的方法。
本发明提供的微纳结构的惯性传感器本体包括一硅基底1和在其上设置的绝缘层2，在绝缘层2上部固定的电极，电极上部固定有谐振梁5、电极引线，以及一质量块6，其特征在于，所述电极为2个条带形，分别设置在硅基底的绝缘层2上部的两边；所述谐振梁5为2组一维纳米材料，该2组谐振梁分别搭放在质量块6与第一电极3和质量块6与第二电极4之间，或者所述谐振梁5为一组，该一组谐振梁5经过质量块6从第一电极3搭到第二电极4上，谐振梁5在与电极和质量块的接触面处固定；所述质量块6位于绝缘层2上部的中心处，质量块在谐振梁的支撑下悬空，绝缘层2与质量块6之间的间隙(气隙)为0.3μm-4μm；整个硅基底1作为驱动电极(底电极)，硅基底1上的绝缘层2开有一个窗形成压焊盘9，作为底电极的引出接头；第一电极3和第二电极4分别有引线7与压焊盘8相连；同时，一维纳米材料也作为质量块6与电极3和电极4实现电连接的电引线。
在上述的技术方案中，所述一维纳米材料包括碳纳米纤维、纳米碳带或碳纳米管；铂、银等金属纳米线；和GaP、InP等半导体纳米线等材料，所述谐振梁为2组，每一组采用几根，根据质量块的不同尺寸，采用较少的碳管，在能支撑质量块悬空的前提下，以利于减小质量块与悬臂梁所构系统的刚度。
在上述的技术方案中，所述基底1选自硅片。
在上述的技术方案中，所述弹性梁5的尺寸通常为长度在2μm～30μm之间，直径为1纳米至100纳米。
在上述的技术方案中，所述绝缘层选自氧化硅和氮化硅等，其氧化硅和氮化硅总厚度为1600至2500。
在上述的技术方案中，所述电极为多晶硅或多晶硅及其上的金属层，金属层包括一层钛和一层金，钛/金金属层厚度在0.3μm～4μm之间。
在上述的技术方案中，所述质量块6为多晶硅材料或多晶硅及其上的钛/金金属层，质量块6与第一电极3和第二电极4之间的间隙在0.5μm～10μm之间。
本发明提供的制作微纳结构的惯性传感器本体的制作方法，该方法包括以硅片为基底材料，对硅片表面微加工和进行一维纳米材料的定向组装，其中步骤如下1)对硅基底采用常规半导体工艺进行磷重掺杂，形成掺杂层作为驱动电极(底电极)；2)在步骤1)得到的硅片上淀积一层绝缘层，同时也作为牺牲层腐蚀的停止层，其绝缘层厚度为1600至2500；3)然后在步骤2)得到的硅片上淀积一层牺牲层，其牺牲层厚度为0.3μm-4μm；4)按设计的电极图将所述绝缘层和牺牲层中的一部分去除，以便露出所述基体电极对步骤3)得到的淀积有绝缘层和牺牲层硅片，采用常规半导体工艺进行图形化刻蚀露出所述底电极所需的压焊块；5)再在经步骤4)图形化得到的硅片上淀积一多晶硅层，其厚度为0.3μm-4μm，并采用常规半导体工艺对所述多晶硅层进行重掺杂磷，使得所述多晶硅层可导电；6)对上述硅片进行表面化学修饰处理，使覆有自然氧化或人工生长的氧化硅的多晶硅表面能与碳纳米管等一维纳米材料结合的官能基团；其中表面化学修饰处理包括用Piranha试剂(浓硫酸和30％的H2O2按7∶3的体积比混合)清洗硅片，然后将硅片浸入2mMKH-550的正己烷溶液中3至4小时后，用氯仿清洗，取出后在120℃下烘培；7)同时，对一维纳米材料进行表面化学修饰处理，使其能与硅基底结合，例如在纳米碳管上接上羧基基团；8)利用通常的流体流动、电场驱动、化学沉积等方法，在硅基底上定向排布组装作为谐振梁的一维纳米材料；9)然后将所述一维纳米材料固定在所述电极和质量块上在布有一维纳米材料的硅片上淀积图形化一金属层，其中金属层包括钛/金，其厚度在400到1200，并利用该金属层做掩模刻蚀所述多晶硅层，使所述多晶硅层成形质量块和第一和第二电极及其引线；10)将所述质量块下方的牺牲层腐蚀去除，使得所述质量块悬空。
在上述的技术方案中，所述的步骤2)中淀积的绝缘层，包括采用热氧化法生长的二氧化硅层，和在二氧化硅层之上用低压化学气相沉积法淀积的氮化硅层。
在上述的技术方案中，所述的步骤3)中的牺牲层材料为磷硅玻璃。
在上述的技术方案中，所述的步骤5)中，对所述多晶硅进行重掺杂磷包括在所述多晶硅层上淀积一层磷硅玻璃，其厚度为0.05μm到1μm，并进行退火操作，最后去除残留的磷硅玻璃。
在本发明中，惯性传感器通过测量弹性梁5和质量块6构成的质量——弹簧系统的谐振频率的变化量来测量加速度的大小，通过电极3或电极4给质量块6与基底1之间施加一个静电偏置和使其谐振的交变激振电压信号。在该交变激振电压信号的作用下，质量——弹簧系统发生谐振。当有加速度作用于质量块6时，质量——弹簧系统的谐振频率频率产生变化，利用碳纳米管、半导体纳米线的压阻效应或利用光学方法进行检测，测量谐振频率的变化。
本发明的有益效果是基于一维纳米材料与微结构结合的惯性传感器结构所利用的一维纳米材料具有极小的直径和极高的长径比，是利用MEMS加工无法实现的，利用一维纳米材料的极小径和高长径比特性，能实现极小尺寸下的灵敏度检测；碳纳米管、半导体纳米线有良好的压阻效应，利用这种压阻效应进行测量还能进一步提高灵敏度；由于利用纳米材料与微加工结合，可实现结构尺寸微小的器件；利用MEMS工艺结合纳米材料的流体排布，实现一维纳米材料与微结构结合的微纳米器件。该种传感器还可以扩展为其它物理、生化量检测的传感器，如，被测量使质量块的质量改变或使弹性支撑梁所受应力改变，从而使系统的谐振频率改变的传感器。本发明的制作方法工艺简单，而且主要结构通过同一次光刻获得，从而保证了制作精度。
图1是本发明的基于一维纳米材料与微结构结合的惯性传感器结构的示意图；图2是在本发明的制备方法中多晶硅刻蚀后的结构俯视图；图3是按照工艺流程在图3中沿A-A线提取的图示工艺流程图。
图面说明1-基底2-绝缘层 3-第一电极4-第二电极5-谐振梁 6-质量块7-引线8、9-压焊盘10-腐蚀孔11-二氧化硅层 12-氮化硅层13-PSG牺牲层14-底电极引线孔 15-多晶硅 16-钛/金金属层
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。
实施例1，按图1和图3所示，制作一惯性传感器包括一硅片基底1，基底1进行了重掺杂磷作为驱动电极(底电极)。硅片基底1上淀积一层厚度为400的氧化硅11，和1500的氮化硅12形成绝缘层2，在绝缘层2上的两边分别设置长100μm×高2μm(其宽度根据版图中图形分布进行协调)的第一条形电极3和第二电极4，该电极为多晶硅。一组5根谐振梁5搭接在第一电极3和与质量块6之间，另一组5根谐振梁5搭接在第二电极4与质量块6之间，同时，碳纳米管也作为质量块6与电极3和电极4实现电连接的电引线。质量块6为多晶硅材料，该质量块6为20μm×40μm，所述质量块6位于绝缘层2上部的中心处，质量块在谐振梁的支撑下悬空，绝缘层2与质量块6之间的间隙(气隙)为2μm；并且质量块6通过2组碳纳米管的弹性梁5固定在第一电极3和第二电极4的中间，其质量块6与电极之间的间隙在2μm。每一组弹性梁为5根碳纳米管，该碳纳米管长度在5μm，直径约为1纳米(不能保证所有碳管的直径相同，只能是平均意义上的)。通过腐蚀质量块下面的牺牲层，在弹性梁的支撑下可形成质量块6悬空结构。硅基底1上的绝缘层2开有一个窗形成压焊盘9，作为底电极的引出接头。第一电极3和第二电极4均有引线7与压焊盘8相连。
实施例2按图1所示，制作一惯性传感器包括一硅片基底1，基底1进行了重掺杂磷作为驱动电极(底电极)。硅片基底1上淀积一层厚度为1000的氧化硅，和1500的氮化硅形成绝缘层2，在绝缘层2上的两边分别设置长100μm×高2μm(其宽度根据版图中图形安置进行协调)的第一条形电极3和第二电极4，该电极为多晶硅。一组10根铂的金属纳米线做为谐振梁5，其长度为15μm，直径为20纳米，该谐振梁5经过质量块6从第一电极3搭到第二电极4，同时，铂的金属纳米线也作为质量块6与电极3和电极4实现电连接的电引线。通过腐蚀质量块下面的牺牲层，在弹性梁的支撑下可形成质量块6悬空结构，所述质量块6位于绝缘层2上部的中心处，质量块在谐振梁的支撑下悬空，绝缘层2与质量块6之间的间隙(气隙)为2μm。质量块6与电极3和4之间的间隙在4μm。硅基底1上的绝缘层2开有一个窗形成压焊盘9，作为底电极的引出接头。
实施例3按图1所示，制作一惯性传感器包括一硅片基底1，基底1进行了重掺杂磷作为驱动电极(底电极)。硅片基底1上淀积一层厚度为500的氧化硅和1700的氮化硅形成绝缘层2，其它结构同实施例1，只是谐振梁5使用GaP半导体纳米线，其长度在15μm之间，直径为60纳米。所述质量块6位于绝缘层2上部的中心处，质量块在谐振梁的支撑下悬空，绝缘层2与质量块6之间的间隙(气隙)为2.5μm；并且质量块6通过2组碳纳米管的弹性梁5固定在第一电极3和第二电极4的中间，其质量块6与电极之间的间隙在5μm。
实施例4本发明的惯性传感结构的制作方法总体上包括两个过程MEMS工艺过程和一维纳米材料组装过程。MEMS工艺过程主要是在硅基底上形成组成惯性传感器结构所需要的电极和质量块，以及组装上一维纳米材料后的后续加工；纳米材料组装过程主要是将一维纳米材料组装到进行了前期制作的硅片上。最终得到制备好的惯性传感器结构。
在本实施例中，经MEMS工艺过程和一维纳米材料组装结束后的结构俯视图如图2所示，图2按工艺顺序详细说明本发明中制作方法的一个实施例，包括下述步骤A)～J)，其中这些步骤标号A)～J)与图3的(a)～(j)一一对应。具体如下A)一单晶硅片作为基底1，对基底1的上表面进行重掺杂磷，以形成一用作底电极的掺杂层(图中未示出)，或者说通过对基底1的表面进行掺杂使得基底1可作为底电极；B)采用热氧化法在硅基底1上表面生长一层二氧化硅(SiO2)11，其厚度为200到1000；C)采用低压化学气相沉积法(LPCVD)淀积一层氮化硅(Si3N4)12，其厚度为1000到2000；步骤B)和步骤C)中得到的二氧化硅层11和氮化硅层12作为绝缘层2和牺牲层刻蚀的停止层；D)用LPCVD淀积一层磷硅玻璃(PSG)作为牺牲层13，厚度1μm至4μm之间均可；E)通过光刻、反应离子刻蚀(RIE)图形化绝缘层(即二氧化硅层11和氮化硅层12)和牺牲层13，以去除绝缘层和牺牲层的一部分，形成一开孔区域14，从而露出底电极，作为基电极压焊盘8，该开孔区域14最好位于远离中央的位置；F)在牺牲层13之上用LPCVD淀积一层多晶硅15；然后对多晶硅层15进行重掺杂磷，使得该多晶硅层15可导电。该重掺杂磷可通过如下步骤在多晶硅层15上淀积一层磷硅玻璃，并在1000℃下进行退火60分钟，最后用氢氟酸去除残留的磷硅玻璃，得到掺杂后的多晶硅层；G)定向组装一维纳米材料5，以形成弹性梁5。具体地说，对碳纳米管等一维纳米材料进行分散处理和表面修饰，具体分散处理和表面修饰步骤包括A.配制悬浮液，将纳米碳管进行截断处理的过程中同时接上羧基基团，具体过程为取纳米碳管放入单口烧瓶中，加入1∶3配比的浓硝酸和浓硫酸，超声分散1小时，然后加热到70℃，继续超声1.5小时，用大量去离子水稀释溶液，静置一天；倾掉上层酸液，再加入水，静置一天，再次倒掉上层酸液；抽滤，并淋洗，直到PH＞5，干燥得到羧化纳米碳管。然后采用超声分散的方法，将纳米碳管均匀分散在例如去离子水的溶剂中；B.同时，对多晶硅13的表面进行化学处理生长氨基单分子层，以增加碳纳米管等一维纳米材料与多晶硅15表面间的相互作用力使它们之间的粘接更可靠；C.将碳纳米管等一维纳米材料悬浮液在多晶硅表面以一定流速流过，实现一维纳米材料的定向排布。
H)在排布有一维纳米材料5的多晶硅15上溅射一层钛金属层后，再溅射一层金金属层16，并通过光刻刻蚀，形成质量块6，电极3和4及其引线7和压焊盘8，以及底电极的压焊盘9等的图形。该层金属并起到固定一维纳米材料的作用；I)以H)中光刻后的金属层作为掩膜，通过深层反应离子刻蚀(ICP)图形化多晶硅层15，以最终形成质量块6、电极3和4及其引线和压焊盘7和8，以及底电极的压焊盘9；受图示所限，在图3(a)-(j)中仅能示出质量块6、电极3和4，以及压焊盘9，但是结合图2很容易得到各个部件的分布；J)用氢氟酸缓冲液(BHF)腐蚀磷硅玻璃牺牲层13，其中要将牺牲层13中位于质量块6下方的部分去除，以使得质量块6悬空，而又不使电极、引线和压焊盘悬空。质量块6中有许多腐蚀孔10，以加速其下的牺牲层的腐蚀。
组装一维纳米材料5，可采用流体排布、电泳或原位生长等方法将一维纳米材料布置在电极3、4和质量块5上的相应位置，通过预先对形成质量块6和电极3、4的多晶硅表面，以及一维纳米材料进行化学修饰，使支撑纳米材料的表面靠化学键的作用和范德华力将纳米材料固定，最后由一层金属的包覆作用实现微结构与一维纳米材料的稳固结合。
在本实施例中可采用流体驱动方法布置一维纳米材料，具体操作为准备一分散纳米碳管的悬浮溶液，其中纳米碳管经过化学修饰接上羧基基团；将该溶液以一定的速度形成质量块6和电极3、4的多晶硅上沿垂直于质量块与电极间的间隙的方向流过，多晶硅表面通过化学处理形成亲水表面。当纳米管溶液流过时，在化学键的作用下，纳米碳管上的羧基基团会跟多晶硅表面的亲水基团靠化学键作用黏附，在流体流动时沿流向排布在多晶硅表面，实现定向定位排布。最后，通过溅射金属层16，将排布好的纳米碳管包覆在电极和质量块上。
权利要求
1.一种微纳结构的惯性传感器本体包括一硅基底1和在其上设置的绝缘层(2)，在绝缘层(2)上部固定的电极，电极上部固定有谐振梁(5)、电极引线，以及一质量块(6)，其特征在于，所述电极为(2)个条带形，分别设置在基体绝缘层(2)上部的两边；所述谐振梁(5)为2组一维纳米材料，该2组谐振梁分别搭放在质量块(6)与第一电极(3)和质量块(6)与第二电极4之间，或者所述谐振梁(5)为一组，该一组谐振梁(5)经过质量块(6)从第一电极(3)搭到第二电极(4)上，谐振梁(5)在与电极和质量块的接触面处固定；所述质量块(6)位于绝缘层(2)上部的中心处，质量块在谐振梁的支撑下悬空，绝缘层(2)与质量块(6)之间的间隙为0.3μm-4μm；整个基底(1)作为驱动电极，硅基底(1)上的绝缘层(2)开有一个窗形成压焊盘(9)，作为底电极的引出接头；第一电极(3)和第二电极(4)分别有引线与压焊盘(7)和(8)相连；同时，一维纳米材料也作为质量块(6)与电极(3)和电极(4)实现电连接的电引线。
2.根据权利要求1所述的微纳结构的惯性传感器本体，其特征在于，所述谐振梁为一维纳米材料，该一维纳米材料包括碳纳米纤维、纳米碳带或碳纳米管；铂、银金属纳米线；和GaP、InP半导体纳米线等材料。
3.根据权利要求1所述的微纳结构的惯性传感器本体，其特征在于，所述弹性梁5的尺寸通常为长度在2μm～30μm之间，直径为1纳米至100纳米。
4.根据权利要求1所述的微纳结构的惯性传感器本体，其特征在于，所述绝缘层选自氧化硅和氮化硅，其氧化硅和氮化硅总厚度为1600到2500。
5.根据权利要求1所述的微纳结构的惯性传感器本体，其特征在于，所述电极为多晶硅或多晶硅及其上的金属层，金属层包括一层钛和一层金，钛/金金属层厚度在0.3μm～4μm之间。
6.根据权利要求1所述的微纳结构的惯性传感器本体，其特征在于，所述质量块6为多晶硅材料或多晶硅材料及其上的钛/金金属层，质量块6与第一电极3和第二电极4之间的间隙在0.5μm～10μm之间。
7.一种制备权利要求1所述的微纳结构的惯性传感器本体的方法，其特征在于，包括如下步骤如下a.对硅基底采用常规半导体工艺进行磷重掺杂，形成掺杂层作为驱动电极；b.在步骤a)得到的硅片上淀积一层绝缘层，同时也作为牺牲层腐蚀的停止层，其绝缘层厚度为1600至2500；c.然后在步骤b)得到的硅片上淀积一层牺牲层，其牺牲层厚度为0.3μm-4μm；d.按设计的电极图将所述绝缘层和牺牲层中的一部分去除，以便露出所述基体电极对步骤c)得到的淀积有绝缘层和牺牲层硅片，采用常规半导体工艺进行图形化刻蚀露出所述底电极所需的压焊块；e.再在经步骤d)图形化得到的硅片上淀积一多晶硅层，其厚度为0.3μm-4μm，并采用常规半导体工艺对所述多晶硅层进行重掺杂磷，使得所述多晶硅层可导电；f.对上述硅片进行表面化学修饰处理，使覆有自然氧化或人工生长的氧化硅的多晶硅表面能与碳纳米管等一维纳米材料结合的官能基团其中表面化学修饰处理包括用Piranha试剂清洗硅片，然后将硅片浸入2mMKH-550的正己烷溶液中3至4小时后，用氯仿清洗，取出后在120℃下烘培；g.利用通常的流体流动、电场驱动、化学沉积方法，在硅基底上定向排布组装作为谐振梁的一维纳米材料；h.然后将所述一维纳米材料固定在所述电极和质量块上在布有一维纳米材料的硅片上淀积图形化一金属层，其中金属层包括钛/金，其厚度在400到1200，并利用该金属层做掩模刻蚀所述多晶硅层，使所述多晶硅层成形质量块和第一和第二电极及其引线；i.将所述质量块下方的牺牲层腐蚀去除，使得所述质量块悬空。
8.根据权利要求7所述的微纳结构的惯性传感器本体的制备方法，其特征在于，所述的步骤b)中淀积的绝缘层，包括采用热氧化法生长的二氧化硅层，和在二氧化硅层之上用低压化学气相沉积法淀积的氮化硅层。
9.根据权利要求7所述的微纳结构的惯性传感器本体的制备方法，其特征在于，所述的步骤c)中的牺牲层材料为磷硅玻璃。
10.根据权利要求7所述的微纳结构的惯性传感器本体的制备方法，其特征在于，所述的步骤e)中，对所述多晶硅进行重掺杂磷包括在所述多晶硅层上淀积一层磷硅玻璃，其厚度0.05μm到1μm并进行退火操作，最后去除残留的磷硅玻璃。
全文摘要
本发明涉及一种微纳结构的惯性传感器本体包括硅基底和在其上设置的绝缘层，2个条带形电极设置在绝缘层上部的两边；2组一维纳米材料的谐振梁分别搭放在质量块与第一电极，和质量块与第二电极之间，或一组谐振梁经过质量块从第一电极搭到第二电极上，谐振梁在与电极和质量块的接触面处固定；质量块位于绝缘层上部的中心处，质量块在谐振梁的支撑下悬空；整个基底作为驱动电极，硅基底上的绝缘层开有一个窗形成压焊盘，作为底电极的引出接头；第一电极和第二电极分别有引线与压焊盘相连；同时，一维纳米材料也作为质量块与电极和电极实现电连接的电引线。本发明的制法包括以硅片为基底材料，对硅片表面微加工和进行一维纳米材料的定向组装实现。
文档编号G01C19/00GK1865124SQ200510071148
公开日2006年11月22日 申请日期2005年5月20日 优先权日2005年5月20日
发明者叶雄英, 谭苗苗, 周兆英, 王晓皓 申请人:清华大学