專利名稱：電磁激勵(lì)高階模態(tài)硅微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、制作方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁激勵(lì)高階模態(tài)諧振式微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、制作方法及應(yīng)用，具體而言，是采用與懸臂梁高階諧振模態(tài)的振動(dòng)函數(shù)曲線相匹配的優(yōu)化布置電磁激勵(lì)線圈，產(chǎn)生與該模態(tài)懸臂梁相應(yīng)位置運(yùn)動(dòng)方向相同的洛倫茲力驅(qū)動(dòng)懸臂梁振動(dòng)。本發(fā)明屬于微機(jī)械傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
諧振式微機(jī)械懸臂梁傳感器由于具有高分辨率、高靈敏度、快速響應(yīng)和數(shù)字式輸出信號(hào)等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于生化檢測(cè)、壓力敏感、慣性測(cè)量等傳感技術(shù)領(lǐng)域，其中作為質(zhì)量敏感傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。該傳感器的核心部件是諧振狀態(tài)下的硅懸臂梁及其諧振驅(qū)動(dòng)和壓阻敏感元件。當(dāng)通過(guò)生化特異性吸附將待測(cè)物吸附在懸臂梁表面時(shí)，懸臂梁等效質(zhì)量的變化使懸臂梁固有諧振頻率發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)該諧振頻率的變化量能高精度地定量分析待測(cè)物的含量，其質(zhì)量檢測(cè)分辨率主要取決于諧振懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)。諧振懸臂梁在高階模態(tài)下具有比基頻模態(tài)更高的品質(zhì)因數(shù)和靈敏度，因此通過(guò)激勵(lì)其懸臂梁的高階模態(tài)能夠有效改善其檢測(cè)分辨率。電磁激勵(lì)由于具有驅(qū)動(dòng)力大、功耗小等特點(diǎn)常被用作懸臂梁諧振的驅(qū)動(dòng)方式。傳統(tǒng)的電磁激勵(lì)通過(guò)位于懸臂梁上導(dǎo)線線圈中的交變電流，在外置永磁體產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)中產(chǎn)生交變的洛倫茲力驅(qū)動(dòng)懸臂梁振動(dòng)(Y.Li，O.Brand，H.Baltes，et al.，Very high Q-factor inwater achieved by monolithic，resonant cantilever sensor with fullyintegrated feedback，Sensors 2003，Proceedings of IEEE，Vol.2，809-813)。如圖1所示，在這種驅(qū)動(dòng)方式中，線圈被盡可能地布置在懸臂梁邊緣，在懸臂梁自由端產(chǎn)生一個(gè)洛倫茲力驅(qū)動(dòng)懸臂梁振動(dòng)。由于懸臂梁基頻諧振模態(tài)的振形函數(shù)曲線只有一個(gè)位于自由端的極點(diǎn)，這種驅(qū)動(dòng)方式與基頻振形函數(shù)曲線相符合(如圖2(a)所示)。但是，懸臂梁在高階諧振模態(tài)的振形函數(shù)曲線具有多個(gè)極點(diǎn)，這種只在懸臂梁自由端產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)方式與高階模態(tài)振形函數(shù)曲線并不完全匹配(如圖2(b)所示)。因此，現(xiàn)有的傳統(tǒng)電磁激勵(lì)方式不能滿足高階諧振模態(tài)下獲得高品質(zhì)因數(shù)的驅(qū)動(dòng)要求。由于驅(qū)動(dòng)線圈通常采用鋁薄膜制作，易被腐蝕，在實(shí)際應(yīng)用中，需要一層鈍化層對(duì)鋁線圈進(jìn)行保護(hù)，常用低溫淀積氮化硅或氧化硅等介質(zhì)層的方法形成鈍化層，但是淀積薄膜過(guò)程形成的應(yīng)力會(huì)改變諧振式懸臂梁的固有諧振頻率，傳統(tǒng)的鋁線保護(hù)方法也不適合這種高階模態(tài)諧振式懸臂梁器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種更有效的電磁激勵(lì)高階模態(tài)諧振式微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、制作方法及應(yīng)用，以克服傳統(tǒng)電磁激勵(lì)方式的不足。其基本思想及實(shí)現(xiàn)方法如下依據(jù)高階模態(tài)振形函數(shù)曲線的極點(diǎn)位置優(yōu)化布置驅(qū)動(dòng)線圈，使交變驅(qū)動(dòng)電流在相應(yīng)的極點(diǎn)位置產(chǎn)生與懸臂梁振動(dòng)方向相同的洛倫茲驅(qū)動(dòng)力，這樣的驅(qū)動(dòng)方式與高階模態(tài)振形函數(shù)曲線完全匹配(如圖2(c)所示)，能夠更好地激勵(lì)其高階模態(tài)，獲得較高的品質(zhì)因數(shù)，提高其檢測(cè)分辨率；采用濺射制作鉻薄膜，形成與鋁線圈布局一致，但有足夠的寬度和厚度的鉻線，完全覆蓋在鋁線圈的表面和側(cè)壁，形成良好的保護(hù)，這樣的保護(hù)方法避免了傳統(tǒng)介質(zhì)鈍化層淀積形成應(yīng)力引起的懸臂梁諧振頻率的變化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)線圈有效可靠保護(hù)。
以懸臂梁的二階彎曲模態(tài)為例，說(shuō)明本發(fā)明基本原理如下懸臂梁二階彎曲模態(tài)的模態(tài)函數(shù)為f(x)＝-cos(4.694x)+cosh(4.694x)+1.018·[sin(4.694x)-sinh(4.694x)]，其中x為懸臂梁長(zhǎng)度方向上的相對(duì)坐標(biāo)。其極點(diǎn)位置為x1＝0.475和x2＝1，極值分別為f(x1)＝1.442和f(x2)＝-2。這說(shuō)明二階彎曲模態(tài)有兩個(gè)極點(diǎn)位置，且這兩處懸臂梁的振動(dòng)方向相反。傳統(tǒng)的電磁激勵(lì)方法只能在x＝1處產(chǎn)生與該處振動(dòng)方向相同的驅(qū)動(dòng)力(如圖2(b)所示)，而優(yōu)化驅(qū)動(dòng)線圈布局，在懸臂梁的兩個(gè)極點(diǎn)處布置線圈，并使線圈中的驅(qū)動(dòng)電流方向相反，這樣將在兩個(gè)極點(diǎn)處都產(chǎn)生與該處二階彎曲模態(tài)懸臂梁振動(dòng)方向相同的洛倫茲力(如圖2(c)所示)，更好地激勵(lì)懸臂梁的二階彎曲模態(tài)，從而獲得更高的品質(zhì)因數(shù)，提高其性能。
圖3顯示了利用該優(yōu)化驅(qū)動(dòng)方式獲得高品質(zhì)因數(shù)的二階模態(tài)諧振式懸臂梁示意圖，詳細(xì)說(shuō)明了這種優(yōu)化電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)特征。它由1.懸臂梁結(jié)構(gòu)、2.振動(dòng)敏感壓阻、3.優(yōu)化驅(qū)動(dòng)線圈等部分組成。在外加磁場(chǎng)下，驅(qū)動(dòng)線圈中的電流產(chǎn)生一個(gè)與懸臂梁振動(dòng)方向一致的洛倫茲力，這個(gè)洛倫茲力驅(qū)動(dòng)懸臂梁振動(dòng)，位于懸臂梁根部的壓阻元件由于壓阻效應(yīng)引起電阻發(fā)生變化，經(jīng)惠斯通電橋后實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)輸出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流的頻率與懸臂梁二階模態(tài)的諧振頻率相同時(shí)，懸臂梁在二階彎曲模態(tài)諧振。驅(qū)動(dòng)線圈布置為回形針形狀，在懸臂梁自由端和中部布置驅(qū)動(dòng)線圈，中部的導(dǎo)線位于懸臂梁相對(duì)于長(zhǎng)度的0.475倍處(如圖3所示)。由于懸臂梁自由端和中部的驅(qū)動(dòng)線圈恰好位于懸臂梁二階彎曲模態(tài)的極點(diǎn)位置，且通過(guò)的電流方向始終相反，懸臂梁自由端和中部分別產(chǎn)生方向相反的兩個(gè)洛倫茲力，這兩個(gè)力的作用點(diǎn)和方向恰好與懸臂梁的二階彎曲振動(dòng)模態(tài)函數(shù)曲線相匹配。因此，與傳統(tǒng)的只在懸臂梁自由端驅(qū)動(dòng)的電磁激勵(lì)方式相比，這種優(yōu)化激勵(lì)結(jié)構(gòu)和方式能夠更有效地激勵(lì)其二階彎曲模態(tài)，獲得更高的品質(zhì)因數(shù)。此外，由于驅(qū)動(dòng)線圈通常采用鋁薄膜制作，易被腐蝕，采用濺射工藝制作鉻薄膜，形成與鋁線圈布局一致，但有足夠的寬度和厚度的鉻線，完全覆蓋在鋁線圈的表面和側(cè)壁，形成鋁線鈍化層(如圖3所示)。這樣的保護(hù)方法避免了傳統(tǒng)介質(zhì)鈍化層淀積形成應(yīng)力對(duì)懸臂梁諧振頻率的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)線圈有效可靠保護(hù)。
本發(fā)明的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)線圈可以通過(guò)改變光刻掩模版圖形，采用已有的金屬薄膜工藝，高精度地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)線圈的制作。以采用此優(yōu)化驅(qū)動(dòng)方式的二階模態(tài)微機(jī)械懸臂梁的制作工藝詳述這種優(yōu)化驅(qū)動(dòng)線圈及其鈍化層的實(shí)現(xiàn)方式如下(1)采用N型SOI(絕緣體上的硅)硅片，將頂層硅減薄至懸臂梁厚度，熱氧化形成表面氧化層。
(2)用光刻膠做掩模，光刻形成敏感電阻的圖形，采用離子注入工藝進(jìn)行硼離子摻雜、在950℃-1150℃熱退火10-60分鐘活化注入的硼離子形成具有壓阻效應(yīng)的敏感電阻，其方塊電阻值在100-250歐姆范圍內(nèi)。
(3)用光刻膠做掩模，光刻形成壓阻引線孔圖形，用緩沖氫氟酸腐蝕掉氧化硅形成引線孔。濺射厚度在500納米以上的鋁薄膜，依次光刻、腐蝕、去膠，形成優(yōu)化布置的驅(qū)動(dòng)線圈和壓阻引線。在450℃-550℃合金化與壓阻形成歐姆接觸。驅(qū)動(dòng)線圈是依據(jù)懸臂梁二階模態(tài)振形函數(shù)曲線的極值位置精確計(jì)算設(shè)計(jì)的，利用光刻技術(shù)精確地形成驅(qū)動(dòng)線圈的圖形。
(4)濺射300納米以上的鉻薄膜，依次光刻、腐蝕、去膠，形成完全覆蓋鋁線圈表面和側(cè)壁的鉻線圈，考慮到工藝誤差，鉻薄膜(即鉻線圈)的寬度比鋁線圈兩側(cè)各寬出0.5微米以上。
(5)用光刻膠做掩模，光刻形成懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形，采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝正面刻蝕，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。背面用光刻膠做掩模，雙面光刻形成背面刻蝕圖形，采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕體硅至SOI中間氧化層，用緩沖氫氟酸腐蝕掉SOI中間氧化層，釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)，完成懸臂梁器件制作。
由本發(fā)明提供的電磁激勵(lì)高階模態(tài)硅微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，成功地應(yīng)用于各種微量、痕量檢測(cè)和生化傳感器，其質(zhì)量分辨率為3×10-14克。(詳見實(shí)施例1、2、3)綜上所述，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是(1)依據(jù)高階模態(tài)振形函數(shù)曲線，優(yōu)化線圈布置方式，產(chǎn)生與高階諧振模態(tài)振形函數(shù)曲線相匹配洛倫茲驅(qū)動(dòng)力，更好地激勵(lì)懸臂梁的高階諧振模態(tài)。
(2)針對(duì)諧振式懸臂梁的諧振頻率對(duì)工藝過(guò)程中的應(yīng)力敏感的特點(diǎn)，采用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的金屬。例如鉻，作為鋁引線的鈍化層，避免了傳統(tǒng)鈍化層淀積后形成的應(yīng)力引起的懸臂梁諧振頻率的變化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)線圈有效可靠保護(hù)。
(3)本發(fā)明提供的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)不僅能檢測(cè)出濃度更低的被測(cè)物質(zhì)而且又可用于各種生化傳感器，為交通樞紐的安檢、反恐提供新的技術(shù)檢測(cè)系統(tǒng)。


圖1傳統(tǒng)電磁激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)線圈布置方式。
圖2(a)基頻模態(tài)振形函數(shù)曲線與傳統(tǒng)電磁激勵(lì)方式產(chǎn)生的洛倫茲力示意2(b)二階模態(tài)振形函數(shù)曲線與傳統(tǒng)電磁激勵(lì)方式產(chǎn)生的洛倫茲力示意圖。
圖2(c)二階模態(tài)振形函數(shù)曲線與優(yōu)化電磁激勵(lì)置方式產(chǎn)生的洛倫茲力示意圖。
圖3采用本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵(lì)方式的二階模態(tài)諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁立體示意圖。
圖4采用本發(fā)明的具有優(yōu)化電磁激勵(lì)方式的二階模態(tài)諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁制作工藝流程圖。
(a)SOI硅片氧化；(b)壓阻制作，腐蝕出引線孔；(c)制作鋁壓阻引線和驅(qū)動(dòng)線圈；(d)濺射鉻鈍化層；(e)蒸發(fā)金薄膜；(f)正面和背面刻蝕，釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)。
圖5(a)采用本發(fā)明的具有優(yōu)化電磁激勵(lì)方式的二階模態(tài)諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁生化傳感器掃描電鏡照片。
圖5(b)采用傳統(tǒng)電磁激勵(lì)方式的諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁生化傳感器掃描電鏡照片。
圖6采用本發(fā)明的具有優(yōu)化電磁激勵(lì)方式的二階模態(tài)諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁生化傳感器和采用傳統(tǒng)電磁激勵(lì)方式的諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁生化傳感器的品質(zhì)因數(shù)。
圖7采用本發(fā)明的的具有優(yōu)化電磁激勵(lì)方式的二階模態(tài)諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁生化傳感器和采用傳統(tǒng)電磁激勵(lì)方式的諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁生化傳感器的頻率穩(wěn)定度和質(zhì)量分辨率。
圖中B-恒定磁場(chǎng) i-驅(qū)動(dòng)電流F-洛倫茲力 -電流流入紙面1-懸臂梁結(jié)構(gòu)2-敏感壓阻組成的惠斯通電橋3-驅(qū)動(dòng)線圈 4-鋁線5-完全覆蓋鋁線上表面和側(cè)壁的鉻薄膜 6-懸臂梁襯底具體實(shí)施方式
下面通過(guò)具體實(shí)施的幾個(gè)器件為例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明并非僅限于所述實(shí)例。
實(shí)施例1，TNT傳感器以一個(gè)用于TNT(三硝基甲苯)痕量檢測(cè)的二階模態(tài)諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁傳感器為例詳細(xì)說(shuō)明該優(yōu)化驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的效果和實(shí)施方式。傳感器工作原理如下在懸臂梁表面的金薄膜襯底上固定選擇性吸附膜，當(dāng)TNT分子通過(guò)選擇性吸附作用被該選擇性吸附膜吸附到懸臂梁表面時(shí)，懸臂梁的有效質(zhì)量增加，諧振頻率降低，通過(guò)檢測(cè)諧振頻率的變化量就可以測(cè)量待測(cè)物的含量。采用本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵(lì)的結(jié)構(gòu)的二階模態(tài)諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁傳感器具有比傳統(tǒng)電磁激勵(lì)方式的傳感器更高的質(zhì)量分辨率，能夠探測(cè)到濃度更低的TNT，這為機(jī)場(chǎng)、車站、港口、海關(guān)等交通樞紐和重要地點(diǎn)的安檢和反恐提供了更加有效、可靠的技術(shù)檢測(cè)手段，對(duì)保障公共安全具有重要意義。
在該器件中，質(zhì)量檢測(cè)分辨率是諧振式傳感器的最重要的性能指標(biāo)，它決定于諧振式懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)和有效質(zhì)量。高階模態(tài)下懸臂梁在不增加有效質(zhì)量的情況下能獲得較高的品質(zhì)因數(shù)，因而能有效改善其質(zhì)量分辨率。采用了本發(fā)明的優(yōu)化電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的懸臂梁，懸臂梁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為300微米、寬度為100微米、厚度為3微米。鋁線圈布置如圖3所示，鋁厚度為700納米，寬度5微米，懸臂梁中部的鋁線中心位于懸臂梁固支端142.5微米處，即懸臂梁相對(duì)長(zhǎng)度的0.475倍。鉻薄膜厚度為500納米，寬度7微米，鉻線比鋁線寬度兩側(cè)各寬出1微米。四個(gè)壓阻組成惠斯通電橋輸出懸臂梁振動(dòng)信號(hào)。將一永磁體與懸臂梁封裝在一起，固定于懸臂梁前端，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與懸臂梁長(zhǎng)度方向一致。性能指標(biāo)為基頻諧振頻率為49kHz，二階彎曲諧振模態(tài)諧振頻率為303kHz，諧振頻率穩(wěn)定度6×10-7。在此恒定磁場(chǎng)作用下，懸臂梁上的優(yōu)化布置驅(qū)動(dòng)線圈通交流電流產(chǎn)生與二階模態(tài)振形函數(shù)曲線相匹配的位于懸臂梁自由端和中部的兩個(gè)洛倫茲力驅(qū)動(dòng)懸臂梁振動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流與懸臂梁二階彎曲諧振頻率相同時(shí)，懸臂梁在二階彎曲模態(tài)下諧振，其質(zhì)量檢測(cè)分辨率為3×10-14克。
器件制作工藝流程如圖4所示，并詳述如下(a)采用N型SOI(絕緣體上的硅)硅片，將頂層硅減薄至懸臂梁厚度，熱氧化形成2000埃的氧化層。
(b)用光刻膠做掩模，光刻出敏感電阻的圖形，采用離子注入工藝進(jìn)行硼離子摻雜、在1000℃退火30分鐘活化注入的硼離子形成具有壓阻效應(yīng)的敏感電阻，其方塊電阻值為160歐姆。
(c)用光刻膠做掩模，光刻出壓阻引線孔圖形，用緩沖氫氟酸腐蝕掉氧化硅形成引線孔。濺射厚度在7000埃以上的鋁薄膜，依次光刻、腐蝕、去膠，同時(shí)形成優(yōu)化布置的驅(qū)動(dòng)線圈和壓阻引線。在480℃合金化30分鐘與壓阻形成歐姆接觸。驅(qū)動(dòng)線圈是依據(jù)懸臂梁二階模態(tài)振形函數(shù)曲線的極值位置精確計(jì)算設(shè)計(jì)的，利用光刻技術(shù)精確地形成驅(qū)動(dòng)線圈的圖形。
(d)濺射5000埃以上的鉻薄膜，依次光刻、腐蝕、去膠，形成完全覆蓋鋁線圈表面和側(cè)壁的鉻線圈，考慮到工藝誤差，鉻薄膜的寬度比鋁薄膜兩側(cè)各寬出1微米。
(e)在硅片上涂光刻膠，光刻顯影，蒸發(fā)金薄膜，采用剝離工藝形成金薄膜。
(f)用光刻膠做掩模，光刻形成懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形，采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝正面刻蝕，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。背面用光刻膠做掩模，雙面光刻形成背面刻蝕圖形，采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕體硅至SOI中間氧化層，用緩沖氫氟酸腐蝕掉SOI中間氧化層，釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)，完成懸臂梁器件制作。
圖5(a)給出了經(jīng)過(guò)上述工藝的采用優(yōu)化電磁激勵(lì)方式的二階模態(tài)硅微機(jī)械懸臂梁傳感器的電鏡照片，圖5(b)給出了采用傳統(tǒng)電磁激勵(lì)方式的硅微機(jī)械懸臂梁生化傳感器的電鏡照片。這兩種懸臂梁尺寸一致、采用同樣的工藝同時(shí)流片制成。為了對(duì)比采用優(yōu)化電磁激勵(lì)方式對(duì)二階模態(tài)硅微機(jī)械懸臂梁的性能影響，圖6和圖7分別給出了采用這兩種電磁激勵(lì)方式的懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)和質(zhì)量分辨率。從圖6給出的測(cè)試結(jié)果可以看出，采用傳統(tǒng)的電磁激勵(lì)方式，懸臂梁的二階模態(tài)品質(zhì)因數(shù)是307；而采用優(yōu)化電磁激勵(lì)方式，懸臂梁的二階模態(tài)品質(zhì)因數(shù)達(dá)到857，相比傳統(tǒng)的電磁激勵(lì)方式提高了1.8倍。圖7給出了這兩種懸臂梁的諧振頻率穩(wěn)定度，質(zhì)量分別率等于諧振頻率相對(duì)穩(wěn)定度與懸臂梁等效質(zhì)量之積。在本實(shí)施例中，懸臂梁的有效質(zhì)量是5.25×10-8克。測(cè)量到傳統(tǒng)電磁激勵(lì)方式的懸臂梁二階模態(tài)下頻率相對(duì)穩(wěn)定度是1.16×10-6，而本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵(lì)方式的頻率相對(duì)穩(wěn)定度是0.57×10-6，質(zhì)量分辨率分別為6×10-14克和3×10-14克。這說(shuō)明了采用優(yōu)化電磁激勵(lì)方式，提高了二階彎曲模態(tài)懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)和質(zhì)量分辨率，顯著改善了器件的性能。
實(shí)施例2，親和素生化傳感器以一個(gè)用于親和素痕量檢測(cè)的二階模態(tài)諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁傳感器為例詳細(xì)說(shuō)明該優(yōu)化驅(qū)動(dòng)方式的效果和實(shí)施方式。親和素(avidin)是一種糖蛋白，分子量6萬(wàn)，可用于蛋白質(zhì)、糖等大分子的間接包被，這種包被法不僅可增加吸附的抗體或抗原量，而且使其結(jié)合點(diǎn)充分暴露。生物素(biotin)又稱維生素H，分子量244，存在于蛋黃中，親和素與生物素的結(jié)合，雖不屬免疫反應(yīng)，但特異性強(qiáng)，親和力大，兩者一經(jīng)結(jié)合就極為穩(wěn)定。器件工作原理如下在懸臂梁表面的金薄膜襯底上通過(guò)巰基化合物自組裝膜固定生物素分子探針，當(dāng)親和素分子與固定在懸臂梁表面的生物素結(jié)合時(shí)，懸臂梁的有效質(zhì)量增加，諧振頻率降低，通過(guò)檢測(cè)諧振頻率的變化量就可以測(cè)量親和素的含量。采用本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵(lì)方式的二階模態(tài)諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁傳感器具有比傳統(tǒng)電磁激勵(lì)方式的傳感器更高的質(zhì)量分辨率，能夠探測(cè)到含量更少的親和素。這種技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)疾病早期診斷具有重要意義。
在該器件中，質(zhì)量檢測(cè)分辨率是諧振式傳感器的最重要的性能指標(biāo)，它取決于諧振式懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)和有效質(zhì)量。高階模態(tài)下懸臂梁在不增加有效質(zhì)量的情況下能獲得較高的品質(zhì)因數(shù)，因而能有效改善其質(zhì)量分辨率。采用了本發(fā)明的優(yōu)化電磁驅(qū)動(dòng)方式的懸臂梁，懸臂梁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為300微米、寬度為100微米、厚度為3微米。鋁線圈布置如圖3所示，鋁厚度為700納米，寬度5微米，懸臂梁中部的鋁線中心位于懸臂梁固支端142.5微米處，即懸臂梁相對(duì)長(zhǎng)度的0.475倍。鉻薄膜厚度為500納米，寬度7微米，鉻線比鋁線寬度兩側(cè)各寬出1微米。四個(gè)壓阻組成惠斯通電橋輸出懸臂梁振動(dòng)信號(hào)。將一永磁體與懸臂梁封裝在一起，固定于懸臂梁前端，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與懸臂梁長(zhǎng)度方向一致。性能指標(biāo)為基頻諧振頻率為49kHz，二階彎曲諧振模態(tài)諧振頻率為303kHz，諧振頻率穩(wěn)定度6×10-7。在此恒定磁場(chǎng)作用下，懸臂梁上的優(yōu)化布置驅(qū)動(dòng)線圈通交流電流產(chǎn)生與二階模態(tài)振形函數(shù)曲線相匹配的位于懸臂梁自由端和中部的兩個(gè)洛倫茲力驅(qū)動(dòng)懸臂梁振動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流與懸臂梁二階彎曲諧振頻率相同時(shí)，懸臂梁在二階彎曲模態(tài)下諧振。
器件制作工藝流程同實(shí)施例1，如圖4所示。
如圖7所示，采用傳統(tǒng)的電磁激勵(lì)方式，二階模態(tài)懸臂梁的質(zhì)量分辨率為6×10-14克，而采用本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵(lì)方式，其質(zhì)量檢測(cè)分辨率為3×10-14克，這樣的質(zhì)量分辨率能夠?qū)崿F(xiàn)單細(xì)胞檢測(cè)。
實(shí)施實(shí)例3，DNA識(shí)別生化傳感器以一個(gè)用于DNA識(shí)別的二階模態(tài)諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁傳感器為例詳細(xì)說(shuō)明該優(yōu)化驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用和實(shí)施方式。DNA(脫氧核糖核酸)是生物基本遺傳物質(zhì)，DNA識(shí)別對(duì)于基因組學(xué)、疾病研究和診斷具有非常重要的意義。DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu)，兩個(gè)堿基單鏈通過(guò)氫鍵纏繞在一起。在一定條件下，兩個(gè)單鏈通過(guò)雜交反應(yīng)結(jié)合在一起組成雙螺旋結(jié)構(gòu)，這種反應(yīng)具有高度的選擇性，識(shí)別能力非常強(qiáng)。用于DNA識(shí)別的器件工作原理如下在懸臂梁表面的固定一個(gè)DNA單鏈作為識(shí)別探針，當(dāng)存在與該堿基單鏈完全匹配的另一個(gè)堿基單鏈時(shí)，通過(guò)雜交反應(yīng)形成DNA雙鏈結(jié)構(gòu)，結(jié)合在懸臂梁表面，使懸臂梁的有效質(zhì)量增加，諧振頻率降低，通過(guò)檢測(cè)諧振頻率的變化量就可以測(cè)量該堿基單鏈的含量。采用本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵(lì)方式的二階模態(tài)諧振式硅微機(jī)械壓阻懸臂梁傳感器具有比傳統(tǒng)電磁激勵(lì)方式的傳感器更高的質(zhì)量分辨率，只需要更少量、更低濃度的樣本就可以完成測(cè)試。
在該器件中，質(zhì)量檢測(cè)分辨率是諧振式傳感器的最重要的性能指標(biāo)，它取決于諧振式懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)和有效質(zhì)量。高階模態(tài)下懸臂梁在不增加有效質(zhì)量的情況下能獲得較高的品質(zhì)因數(shù)，因而能有效改善其質(zhì)量分辨率。采用了本發(fā)明的優(yōu)化電磁驅(qū)動(dòng)方式的懸臂梁，懸臂梁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為300微米、寬度為100微米、厚度為3微米。鋁線圈布置如圖3所示，鋁厚度為700納米，寬度5微米，懸臂梁中部的鋁線中心位于懸臂梁固支端142.5微米處，即懸臂梁相對(duì)長(zhǎng)度的0.475倍。鉻薄膜厚度為500納米，寬度7微米，鉻線比鋁線寬度兩側(cè)各寬出1微米。四個(gè)壓阻組成惠斯通電橋輸出懸臂梁振動(dòng)信號(hào)。將一永磁體與懸臂梁封裝在一起，固定于懸臂梁前端，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與懸臂梁長(zhǎng)度方向一致。性能指標(biāo)為基頻諧振頻率為49kHz，二階彎曲諧振模態(tài)諧振頻率為303kHz，諧振頻率穩(wěn)定度6×10-7。在此恒定磁場(chǎng)作用下，懸臂梁上的優(yōu)化布置驅(qū)動(dòng)線圈通交流電流產(chǎn)生與二階模態(tài)振形函數(shù)曲線相匹配的位于懸臂梁自由端和中部的兩個(gè)洛倫茲力驅(qū)動(dòng)懸臂梁振動(dòng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流與懸臂梁二階彎曲諧振頻率相同時(shí)，懸臂梁在二階彎曲模態(tài)下諧振。
器件制作工藝流程同實(shí)例1，如圖4所示。
如圖7所示，采用傳統(tǒng)的電磁激勵(lì)方式，二階模態(tài)懸臂梁的質(zhì)量分辨率為6×10-14克，而采用本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量檢測(cè)分辨率為3×10-14克，這樣的質(zhì)量分辨率能夠檢測(cè)到只要5000個(gè)多瘤病毒的DNA分子，就可以完成檢測(cè)，由于樣品需求量和濃度要求少，所以對(duì)于早期疾病診斷和環(huán)境檢測(cè)都要非常廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種電磁激勵(lì)高階模態(tài)諧振硅微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由懸臂梁和振動(dòng)敏感壓組成，其特征在于懸臂梁上的驅(qū)動(dòng)線圈布置為回形針形狀，在懸臂梁自由端和中部布置驅(qū)動(dòng)線圈，位于懸臂梁二階彎曲模態(tài)的極點(diǎn)位置。
2.按權(quán)利要求1所述的電磁激勵(lì)高階模態(tài)諧振硅微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的懸臂梁二階彎曲模態(tài)的模態(tài)函數(shù)為f(x)＝-cos(4.694x)+cosh(4.694x)+1.018·[sin(4.694x)-sinh(4.694x)]，其中x為懸臂梁長(zhǎng)度方向上的相對(duì)坐標(biāo)；其極點(diǎn)位置為x1＝0.475和x2＝1，極值分別為f(x1)＝1.442和f(x2)＝-2。
3.按權(quán)利要求1所述的電磁激勵(lì)高階模態(tài)諧振硅微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其特征在于懸臂梁自由端和中部分別產(chǎn)生方向相反的兩個(gè)洛倫茲力。
4.按權(quán)利要求1所述的電磁激勵(lì)高階模態(tài)諧振硅微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其特征在于驅(qū)動(dòng)線圈為鋁薄膜，在其上有與鋁薄膜布局一致的鉻薄膜，完全覆蓋在鋁薄膜的表面和側(cè)壁，形成鋁薄膜純化層。
5.按權(quán)利要求4所述的電磁激勵(lì)高階模態(tài)諧振硅微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其特征在于鉻薄膜厚度大于300納米，鉻薄膜的寬度比鋁薄膜兩側(cè)各寬出0.5微米以上。
6.制作如權(quán)利要求1所述的電磁激勵(lì)高階模態(tài)諧振硅微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于通過(guò)改變光刻掩膜版圖形，采用已有的金屬薄膜工藝，高精度地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)線圈的制作，工藝步驟是(1)采用N型絕緣體上的硅的硅片，將頂層硅減薄至懸臂梁厚度，熱氧化形成表面氧化層；(2)用光刻膠做掩模，光刻形成敏感電阻的圖形，采用離子注入工藝進(jìn)行硼離子摻雜、在950℃-1150℃熱退火10-60分鐘活化注入的硼離子形成具有壓阻效應(yīng)的敏感電阻，其方塊電阻值在100-250歐姆范圍內(nèi)；(3)用光刻膠做掩模，光刻形成壓阻引線孔圖形，用緩沖氫氟酸腐蝕掉氧化硅形成引線孔；濺射厚度在500納米以上的鋁薄膜，依次光刻、腐蝕、去膠，形成優(yōu)化布置的驅(qū)動(dòng)線圈和壓阻引線；在450℃-550℃合金化與壓阻形成歐姆接觸；驅(qū)動(dòng)線圈是依據(jù)懸臂梁二階模態(tài)振形函數(shù)曲線的極值位置精確計(jì)算設(shè)計(jì)的，利用光刻技術(shù)精確地形成驅(qū)動(dòng)線圈的圖形；(4)濺射300納米以上的鉻薄膜，依次光刻、腐蝕、去膠，形成完全覆蓋鋁薄膜表面和側(cè)壁的鉻薄膜，考慮到工藝誤差，鉻薄膜的寬度比鋁薄膜兩側(cè)各寬出0.5微米以上；(5)用光刻膠做掩模，光刻形成懸臂梁結(jié)構(gòu)圖形，采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝正面刻蝕，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，背面用光刻膠做掩模，雙面光刻形成背面刻蝕圖形，采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕體硅至絕緣層上層的硅的中間氧化層，用緩沖氫氟酸腐蝕掉絕緣層上層的硅的中間氧化層，釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)，完成懸臂梁器件制作。
7.按權(quán)利要求6所述的電磁激勵(lì)高階模態(tài)諧振硅微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于設(shè)計(jì)的懸臂梁長(zhǎng)度為300微米、寬度為100微米、厚度為3微米，鋁厚度為700納米，寬度5微米，懸臂梁中部的鋁薄膜中心位于懸臂梁固支端142.5微米處，即懸臂梁相對(duì)長(zhǎng)度的0.475倍；鉻薄膜厚度為500納米，寬度7微米，鉻薄膜比鋁薄膜寬度兩側(cè)各寬出1微米；四個(gè)壓阻組成惠斯通電橋輸出懸臂梁振動(dòng)信號(hào)；將一永磁體與懸臂梁封裝在一起，固定于懸臂梁前端，產(chǎn)生的磁場(chǎng)與懸臂梁長(zhǎng)度方向一致。
8.按權(quán)利要求1所述的電磁激勵(lì)高階模態(tài)諧振硅微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于三硝基甲苯痕量檢測(cè)、親和素生化傳感器和脫氧核糖酸識(shí)別生化傳感器，其質(zhì)量檢測(cè)分辨率為3×10-14克。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于電磁激勵(lì)高階模態(tài)諧振硅微機(jī)械懸臂梁的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、制作方法及應(yīng)用，屬微機(jī)械傳感器技術(shù)領(lǐng)域；其特征在于采用與懸臂梁高階諧振模態(tài)的振動(dòng)函數(shù)曲線相匹配的優(yōu)化布置電磁激勵(lì)線圈，產(chǎn)生與該模態(tài)懸臂梁相應(yīng)位置運(yùn)動(dòng)方向相同的洛倫茲力驅(qū)動(dòng)懸臂梁振動(dòng)，更好地激勵(lì)懸臂梁的高階諧振模態(tài)，提高懸臂梁的品質(zhì)因數(shù)和質(zhì)量分辨率；同時(shí)用濺射制作與驅(qū)動(dòng)鋁線圈布局一致，但有足夠的寬度和厚度的鉻薄膜，確保完全覆蓋在鋁線圈的表面和側(cè)壁，形成良好的保護(hù)，避免了傳統(tǒng)介質(zhì)鈍化層淀積后形成的應(yīng)力引起的懸臂梁諧振頻率的變化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)線圈的有效可靠保護(hù)；本發(fā)明特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、容易實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)B81C1/00GK1880211SQ200610023320
公開日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2006年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月13日
發(fā)明者李昕欣, 金大重, 劉劍, 左國(guó)民, 劉民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所