專利名稱：高靈敏度的微電子機(jī)械系統(tǒng)的光電檢流計(jì)、制作及其檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高靈敏度的微電子機(jī)械系統(tǒng)光電檢流計(jì)及其制作、檢測(cè)方法，是一種應(yīng)用于計(jì)量測(cè)試、電力、生物、半導(dǎo)體、化學(xué)分析等技術(shù)領(lǐng)域的檢測(cè)安培至皮安量級(jí)電流的光電檢流計(jì)。
背景技術(shù)：
微弱電流的監(jiān)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)在微弱信號(hào)精密測(cè)量、生物電流檢測(cè)、半導(dǎo)體、電力、化學(xué)分析、工業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域中越來(lái)越多的應(yīng)用。微弱電流的檢測(cè)與控制在計(jì)量領(lǐng)域有著重要的作用，微弱電流的檢測(cè)設(shè)備所能達(dá)到的靈敏度和精度也受到更多的重視；生物電極是研究分子水平上生命現(xiàn)象的重要工具，其大多為電流輸出型，電流信號(hào)通常受到生物體內(nèi)多種生物電干擾，弱電流信號(hào)的高靈敏度檢測(cè)對(duì)于酶反應(yīng)的研究有著非常重要的意義；半導(dǎo)體器件日益復(fù)雜，介電層厚度和柵極長(zhǎng)度不斷減小，半導(dǎo)體工業(yè)中微電流的控制與監(jiān)測(cè)也是必需的；電力系統(tǒng)中，電廠、變電站直流操作回路的絕緣泄漏電流同樣需要進(jìn)行精密檢測(cè)；連續(xù)監(jiān)測(cè)地下水中微電流(或大地自然微電流電場(chǎng))的變化，是可能捕捉到地震前兆變化的最有效途徑之一；應(yīng)用于微環(huán)境表征與測(cè)定的電分析化學(xué)，超微電極上只有微小的電流通過(guò)，需要精密的電流檢測(cè)裝置；其它方面比如檢測(cè)離子電荷的電流，以及氣體電離率的估計(jì)、細(xì)胞膜電位的測(cè)定等場(chǎng)合，都必須對(duì)微電流做出測(cè)量。
目前對(duì)于微小電流的檢測(cè)，大多是采用放大器的數(shù)字檢流計(jì)[肖效民，楊傳旺，趙義林.比例電流放大器及其在微電流互感器校驗(yàn)中的應(yīng)用[J]，電測(cè)與儀表，2002，39(438)51-55.]，如采用靜電計(jì)管、采用特種雙極型晶體管、采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管或絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管、動(dòng)電容式的微電流放大器。一個(gè)微弱電流放大器的最小可檢測(cè)電流受很多因素的限制，其中主要受放大器噪聲和漂移的影響。放大器對(duì)信號(hào)放大的同時(shí)也對(duì)噪聲進(jìn)行放大，特別是放大器漏電流的直流或者交流低頻信號(hào)的“1/f”噪聲的干擾，對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。早期用嚴(yán)格挑選的真空管制成的微電流放大器能達(dá)到很高的靈敏度，但是真空管有體積大、溫漂嚴(yán)重的致命缺點(diǎn)。現(xiàn)在微電流放大器一般都采用集成運(yùn)放芯片制作，但是在滿足低噪聲干擾、低漂移、較快響應(yīng)的要求上存在困難。運(yùn)算放大器也存在著失調(diào)電壓、失調(diào)電流、偏置電流以及溫度漂移等問(wèn)題，經(jīng)積分電容的不斷積累，出現(xiàn)所謂“積分漂移”的現(xiàn)象，給測(cè)量造成很大的誤差。
另一類檢測(cè)微弱電流的方法無(wú)需放大器[向小民，曾維魯，高學(xué)軍.一種新式磁調(diào)制直流電流測(cè)量方法[J]，華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，26(12)64-67.]，其原理多為測(cè)量由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的變化，如霍爾傳感器等，但其檢測(cè)靈敏度都比較低，很難達(dá)到毫安級(jí)以下。目前，非接觸式1mA以下直流微小電流的測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)，如果采用霍爾元件，即使采用磁聚焦方法，最小電流大約在20mA以上才有反應(yīng)。傳統(tǒng)的比較儀測(cè)量電流精度高，但它應(yīng)用閉環(huán)測(cè)量原理，線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常用于大電流測(cè)量，毫、微安級(jí)的微電流很難用此方法測(cè)量，主要原因是由于反饋電流太小，穩(wěn)定性很差。帶有超導(dǎo)量子干涉裝置的低溫超導(dǎo)比較儀可以達(dá)到很高的測(cè)量精度(10-12A)，但是這種儀器需要在低溫下工作，而在室溫下讀取數(shù)據(jù)需要精密的溫度控制與補(bǔ)償裝置，且整套儀器的價(jià)格昂貴發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是針對(duì)以往檢流計(jì)的缺點(diǎn)，提供一種高靈敏度的MEMS光電檢流計(jì)的設(shè)計(jì)及其制作、檢測(cè)方法，以達(dá)到安培至皮安量級(jí)電流的直接準(zhǔn)確的測(cè)量，它比起霍爾傳感器靈敏度大大提高，與采用放大器的檢流計(jì)相比，無(wú)需復(fù)雜的電路。不同量級(jí)的電流檢測(cè)的設(shè)計(jì)參數(shù)做出相應(yīng)變化。這種基于MEMS的光電檢流計(jì)無(wú)需復(fù)雜昂貴的低頻微弱信號(hào)放大器，減少了放大器對(duì)信號(hào)放大的同時(shí)引起放大的噪聲產(chǎn)生的誤差。
所述的MEMS光電檢流計(jì)，敏感部分為螺旋線圈式MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡(圖1、圖2)，主要結(jié)構(gòu)包括雙端固支式扭轉(zhuǎn)平面(5)、金屬驅(qū)動(dòng)線圈(3)、線圈與電極的引線(2)和扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)背面的反射鏡面(7)；檢測(cè)部分是對(duì)角度非常敏感的光電角度檢測(cè)系統(tǒng)(圖7)，由光源驅(qū)動(dòng)電路(12)、光源(13)、雙光纖準(zhǔn)直器(14)、輸入光纖(15)、輸出光纖(16)、光功率計(jì)(17)、光電轉(zhuǎn)換器(18)、放大器(19)、顯示器(20)等構(gòu)成。通過(guò)微機(jī)械工藝制作螺旋線圈式MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡(圖1、圖2)，其中金屬驅(qū)動(dòng)線圈(3)制作于扭轉(zhuǎn)平面(5)上，線圈與電極的引線(2)通過(guò)絕緣層與金屬驅(qū)動(dòng)線圈(3)隔離，反射鏡面(7)位于扭轉(zhuǎn)平面的背面，而扭轉(zhuǎn)平面(5)與梁(4)形成雙端固支結(jié)構(gòu)。線圈與電極的引線(2)通過(guò)絕緣層制作在金屬驅(qū)動(dòng)線圈(3)下層(圖5)，也可以在上層(圖6)。隔離微鏡背面可以制作阻尼線圈(8)(圖4)，也可以不制作阻尼線圈(圖3)。整個(gè)MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡(圖1、圖2)通過(guò)支架置于外加永磁鐵產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)中。光源(13)及其驅(qū)動(dòng)電路(12)通過(guò)輸入光纖(15)與雙光纖準(zhǔn)直器(14)連接，雙光纖準(zhǔn)直器的端面面向MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡的反射鏡面(7)，通過(guò)輸出光纖(16)連接到光功率計(jì)(17)，而后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器(18)、放大器(19)與顯示器連接(20)。測(cè)量信號(hào)時(shí)，MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡通過(guò)支架垂直置于永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中；將待測(cè)的直流微弱電流直接輸入金屬驅(qū)動(dòng)線圈(3)，驅(qū)動(dòng)線圈將受到洛倫茲力產(chǎn)生的力矩作用，驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)偏離初始角位置，光源(13)發(fā)出的光通過(guò)輸入光纖(15)輸入到雙光纖準(zhǔn)直器(14)，將轉(zhuǎn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為光學(xué)信息，通過(guò)輸出光纖(16)傳送到檢測(cè)裝置，由光功率計(jì)(17)與光電轉(zhuǎn)換器(18)放大器(19)進(jìn)行檢測(cè)，顯示器(20)可得到電流信息。
所述的MEMS光電檢流計(jì)，扭轉(zhuǎn)平面可以是矩形、圓形、多邊形等任意形狀，金屬驅(qū)動(dòng)線圈可以是矩形、平行四邊形、多邊形或其它能產(chǎn)生有效力矩的任意形狀，扭轉(zhuǎn)梁可以是矩形、梯形等形狀，也可以為折疊梁等復(fù)合梁結(jié)構(gòu)。
所述的MEMS光電檢流計(jì)，MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡的金屬驅(qū)動(dòng)線圈、線圈與電極之間的引線可以通過(guò)濺射、電鍍或者其它MEMS工藝制作，線圈可以由銅、金、鋁或其它導(dǎo)電材料等的一種或幾種材料制作，線圈外側(cè)與電極之間的引線和金屬驅(qū)動(dòng)線圈在同一層，而線圈內(nèi)側(cè)與電極之間的引線通過(guò)絕緣層隔離制作于金屬驅(qū)動(dòng)線圈的上層或者下層，也可以將線圈內(nèi)、外側(cè)的引線同時(shí)制作于金屬驅(qū)動(dòng)線圈的上層或者下層；驅(qū)動(dòng)線圈可以改變?cè)褦?shù)，可以制作一層，也可以通過(guò)絕緣層隔離制作多層，滿足不同測(cè)量范圍靈敏度的要求，測(cè)量范圍可以覆蓋安培到皮安量級(jí)。
所述的MEMS光電檢流計(jì)，襯底、扭轉(zhuǎn)平面、扭轉(zhuǎn)梁可以由相同材料也可以由不同材料加工而成，如單晶硅、氮化硅、二氧化硅、磷化銦、聚合物等。襯底、扭轉(zhuǎn)平面、扭轉(zhuǎn)梁的厚度可以相同，也可以不同，形成扭轉(zhuǎn)平面與扭轉(zhuǎn)梁厚度不同的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，薄膜可以通過(guò)生長(zhǎng)或者腐蝕減薄等工藝形成。
所述的MEMS光電檢流計(jì)，在MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡的背面制作高反射率的介質(zhì)膜作為反射鏡面，也可以通過(guò)濺射、電鍍等工藝制作金屬膜(如金、銀、鋁等)作為反射微鏡面。反射微鏡面可以制作在薄膜結(jié)構(gòu)的背面，也可以制作在薄膜結(jié)構(gòu)的正面，同時(shí)可以在MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡背面制作閉合的阻尼線圈，以達(dá)到減小穩(wěn)定時(shí)間的作用，兩層金屬線圈間的絕緣層可以為二氧化硅、氮化硅，也可以為聚酰亞胺等其它絕緣材料。
所述的MEMS光電檢流計(jì)，磁場(chǎng)是外加永磁鐵，如釹鐵硼、鎳鐵合金等產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)，永磁鐵可以通過(guò)外部支架固定，也可以通過(guò)濺射磁性薄膜直接制作在MEMS結(jié)構(gòu)上；磁場(chǎng)也可以是通電長(zhǎng)直導(dǎo)線或螺線管產(chǎn)生的恒定或交變磁場(chǎng)，可以根據(jù)靜態(tài)偏角檢測(cè)直流電流，也可以根據(jù)穩(wěn)定的振蕩幅度檢測(cè)低頻交流微電流。
所述的MEMS光電檢流計(jì)，利用雙光纖準(zhǔn)直器對(duì)角度非常敏感的特性對(duì)偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，得到光信號(hào)的損耗與扭轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，經(jīng)過(guò)光纖傳輸、光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理后測(cè)量出微電流值，也可以運(yùn)用其它方法對(duì)角度進(jìn)行檢測(cè)，如通過(guò)兩根光纖檢測(cè)輸入輸出光強(qiáng)變化的方法、三根光纖檢測(cè)光耦合、利用金屬線圈檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等一切光學(xué)、非光學(xué)的檢測(cè)角度的方法。
所述的MEMS光電檢流計(jì)，器件參數(shù)的選擇可以按照如下的步驟(1)根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)平面的參數(shù)初值(長(zhǎng)、寬、高)、引線的參數(shù)與正面金屬驅(qū)動(dòng)線圈與背面阻尼線圈參數(shù)(匝數(shù)、長(zhǎng)、寬、高、單匝線圈寬度、線圈間隔)計(jì)算整個(gè)器件的計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼。(2)根據(jù)金屬線圈與線圈的引線的參數(shù)計(jì)算器件的電阻。(3)根據(jù)不同的恒定磁場(chǎng)計(jì)算器件的驅(qū)動(dòng)力矩。(4)計(jì)算器件穩(wěn)定狀態(tài)下器件的偏轉(zhuǎn)角度。(5)根據(jù)限制條件(阻尼條件、剪切應(yīng)力、強(qiáng)度條件、時(shí)間常數(shù)等)、工藝條件及參數(shù)初值得到所需靈敏度、分辨率、誤差等值。(6)按照所要求的測(cè)試電流的靈敏度，根據(jù)器件的偏轉(zhuǎn)角度與梁的抗扭剛度，計(jì)算合理的扭轉(zhuǎn)梁長(zhǎng)、寬、高等參數(shù)。(7)利用ANSYS軟件對(duì)器件的進(jìn)行靜力分析、熱學(xué)分析與電磁分析。(8)根據(jù)以上幾個(gè)步驟反復(fù)修改并確定參數(shù)。
所述的MEMS光電檢流計(jì)，主體結(jié)構(gòu)螺旋線圈式MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡可以按照以下步驟制作(1)硅片雙面氧化、正面涂膠保護(hù)、背面涂膠光刻顯影、腐蝕氧化硅、去膠、KOH各向異性濕法腐蝕實(shí)現(xiàn)減薄硅片的目的；(2)正面涂膠光刻、濺射(蒸發(fā)、電鍍)金屬、丙酮去膠，形成MEMS線圈與電極的連接線；(3)正面PECVD(等離子體化學(xué)氣象沉積)二氧化硅(或者氮化硅、也可以涂覆聚酰亞胺)作為MEMS線圈與連接線的絕緣層、正面涂膠光刻顯影、腐蝕出MEMS線圈與連接線的互連孔；(4)正面涂膠光刻顯影、濺射(蒸發(fā))金屬、丙酮去膠(也可以通過(guò)電鍍的方法)制作MEMS線圈與電極；(5)背面噴膠、光刻顯影、濺射(蒸發(fā)、電鍍)制作高反射率的反射鏡面(閉合阻尼線圈)；(6)正面涂膠光刻顯影，通過(guò)硅的干法刻蝕工藝釋放結(jié)構(gòu)，刻蝕出MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡結(jié)構(gòu)。
所述的MEMS光電檢流計(jì)，為了防止?jié)穸取⒖諝庋趸挠绊?，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓軞ぃ瑢⑵骷M(jìn)行封裝，包括打引線等的電路封裝與光學(xué)耦合的測(cè)試部分封裝。MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡通過(guò)支架置于外加永磁鐵產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)中，雙光纖準(zhǔn)直器面向MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡上的反射鏡面，輸入與輸出光纖連接雙光纖準(zhǔn)直器與驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)電路。
本發(fā)明所提供的高靈敏度的MEMS光電檢流計(jì)，具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明是通過(guò)MEMS工藝制作成一種可以檢測(cè)安培至皮安量級(jí)的光電檢流計(jì)。與常見(jiàn)的利用放大電路的微電流傳感器相比，輸入電路無(wú)需放大器，克服了微弱電流信號(hào)放大引起的噪聲干擾和漂移的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)輸入端與輸出端的光電隔離。光信號(hào)采用正弦調(diào)制方法，使直流或低頻電流信號(hào)變換為窄帶的中頻光電流信號(hào)，有利于高靈敏度的檢測(cè)。
2、利用雙光纖準(zhǔn)直器對(duì)角度非常敏感的特性對(duì)微鏡扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)雙光纖準(zhǔn)直器的預(yù)偏角，達(dá)到雙光纖準(zhǔn)直器對(duì)角度不同的分辨率，從而滿足不同微弱電流檢測(cè)的要求，可以得到更大范圍的應(yīng)用。
3、雙光纖準(zhǔn)直器對(duì)角度進(jìn)行檢測(cè)，反應(yīng)靈敏、精確度高，非常適用于迅速變化的角度測(cè)量。光纖具有良好的傳光特性，對(duì)光波的損耗低，光纖的絕緣性好，不受電磁干擾。
4、本發(fā)明原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊，體積大大減小，便于運(yùn)輸、安裝等實(shí)際應(yīng)用。本發(fā)明將反射微鏡面制作于扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的背面，進(jìn)一步降低了器件的整體尺寸。
5、本發(fā)明通過(guò)氧化、光刻、濺射、電鍍等MEMS工藝在襯底上進(jìn)行加工，由于硅加工技術(shù)成熟，可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)、大大降低生產(chǎn)成本。
6、驅(qū)動(dòng)的金屬線圈可以制作一層，也可以通過(guò)絕緣層隔離制作多層?？梢愿淖凃?qū)動(dòng)線圈的匝數(shù)與長(zhǎng)寬高、扭轉(zhuǎn)梁的長(zhǎng)寬高、扭轉(zhuǎn)平面的長(zhǎng)、寬、高等參數(shù)，可以滿足不同的測(cè)量要求，覆蓋安培到皮安(10-12A)量級(jí)。
7、本發(fā)明采用對(duì)稱的雙端固支扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，與雙光纖準(zhǔn)直器的角度檢測(cè)方式結(jié)合，降低了外界震動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。
8、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的光電檢流計(jì)比起霍爾傳感器分辨率大大提高(可檢測(cè)10-12A的電流)，與應(yīng)用放大器的數(shù)字檢流計(jì)相比，無(wú)需復(fù)雜的電路；與低溫超導(dǎo)比較儀相比，不需要低溫致冷裝置與補(bǔ)償裝置。
9、本發(fā)明采用線圈內(nèi)側(cè)與電極的引線制作于金屬驅(qū)動(dòng)線圈下層的結(jié)構(gòu)(圖6)，由于金屬驅(qū)動(dòng)線圈位于上層、不受絕緣層厚度與爬坡效應(yīng)的影響，可以制作比較厚，降低了器件的內(nèi)阻，相應(yīng)的提高了測(cè)量精度。
10、本發(fā)明設(shè)計(jì)的背面有閉合阻尼線圈的器件(圖4)，在不影響器件整體尺寸的情況下，大大降低了震動(dòng)的穩(wěn)定時(shí)間，計(jì)算表明閉合阻尼線圈的設(shè)計(jì)可以將穩(wěn)定時(shí)間由數(shù)十秒降到毫秒量級(jí)。
11、本發(fā)明設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)薄膜與扭轉(zhuǎn)梁厚度不同的器件，將梁的厚度與扭轉(zhuǎn)平面的厚度分離進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以靈活的設(shè)計(jì)梁的扭轉(zhuǎn)系數(shù)，達(dá)到增加靈敏度或者在不改變靈敏度的情況下降低工藝難度的要求。


圖1是扭轉(zhuǎn)平面與扭轉(zhuǎn)梁厚度相同的MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡正面圖。其中1是支架，2是線圈的引線，3是金屬驅(qū)動(dòng)線圈，4是扭轉(zhuǎn)梁，5是扭轉(zhuǎn)平面，6是永磁體。
圖2是扭轉(zhuǎn)平面與扭轉(zhuǎn)梁厚度不同的MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡正面圖。其中1是支架，2是線圈的引線，3是金屬驅(qū)動(dòng)線圈，4是扭轉(zhuǎn)梁，5是扭轉(zhuǎn)平面，6是永磁體。
圖3是無(wú)阻尼線圈的MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡背面圖。其中1是支架，4是扭轉(zhuǎn)梁，5是扭轉(zhuǎn)平面，7是反射鏡面。
圖4是有阻尼線圈的MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡的背面圖。其中1是支架，4是扭轉(zhuǎn)梁，5是扭轉(zhuǎn)平面，7是反射鏡面，8是閉合的阻尼線圈。
圖5是線圈內(nèi)側(cè)的引線制作于金屬驅(qū)動(dòng)線圈上層的結(jié)構(gòu)，9是線圈內(nèi)側(cè)與電極之間的引線，3是金屬驅(qū)動(dòng)線圈。
圖6是線圈內(nèi)側(cè)的引線制作于金屬驅(qū)動(dòng)線圈下層的結(jié)構(gòu)，9是線圈內(nèi)側(cè)與電極之間的引線，3是金屬驅(qū)動(dòng)線圈。
圖7是本發(fā)明圖提供的光電檢流計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，10是MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡，11是待測(cè)電流輸入端線，12是光源驅(qū)動(dòng)電路，13是光源，14是輸入光纖，15是雙光纖準(zhǔn)直器，16是輸出光纖，17是光功率計(jì)，18是光電轉(zhuǎn)換器，19是放大器，20是顯示器。
具體實(shí)施例方式
以線圈內(nèi)側(cè)的引線制作于金屬驅(qū)動(dòng)線圈下層(圖6)、背面有阻尼線圈(圖4)的器件為例說(shuō)明實(shí)施方式，其中二氧化硅為絕緣層，硅為襯底，鋁作為MEMS驅(qū)動(dòng)線圈與引線的材料，扭轉(zhuǎn)平面、金屬線圈、扭轉(zhuǎn)梁都為矩形，具體步驟如下(對(duì)于無(wú)阻尼線圈、引線位于金屬驅(qū)動(dòng)線圈上層的結(jié)構(gòu)可以采用類似的步驟)1、器件參數(shù)的選擇A、根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)平面的參數(shù)初值(長(zhǎng)、寬、高)、引線的參數(shù)與正面金屬驅(qū)動(dòng)線圈與背面阻尼線圈參數(shù)(匝數(shù)、長(zhǎng)、寬、高、單匝線圈寬度、線圈間隔)計(jì)算整個(gè)器件的計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼。
B、根據(jù)金屬線圈與線圈的引線的參數(shù)計(jì)算器件的電阻。
C、根據(jù)不同的恒定磁場(chǎng)計(jì)算器件的驅(qū)動(dòng)力矩。
D、計(jì)算器件穩(wěn)定狀態(tài)下器件的偏轉(zhuǎn)角度。
E、根據(jù)限制條件(阻尼條件、剪切應(yīng)力、強(qiáng)度條件、時(shí)間常數(shù)等)、工藝條件及參數(shù)初值得到所需靈敏度、分辨率、誤差等值。
F、按照所要求的測(cè)試電流的靈敏度，根據(jù)器件的偏轉(zhuǎn)角度與梁的抗扭剛度，計(jì)算合理的扭轉(zhuǎn)梁長(zhǎng)、寬、高等參數(shù)。
G、利用ANSYS軟件對(duì)器件的進(jìn)行靜力分析、熱學(xué)分析與電磁分析。
H、根據(jù)以上幾個(gè)步驟反復(fù)修改并確定參數(shù)。
根據(jù)以上的約束條件可以得到滿足不同測(cè)試要求的器件參數(shù)，針對(duì)10-9A電流的測(cè)試可以采用的參數(shù)為硅平面長(zhǎng)寬高分別為4000μm、4000μm、80μm；扭轉(zhuǎn)梁長(zhǎng)寬高分別為307μm、3μm、80μm；MEMS金屬線圈平均邊長(zhǎng)、線寬、間距、厚度分別為1650μm、70μm、30μm、1μm，匝數(shù)為45；反射鏡面長(zhǎng)寬高分別為1000μm、1000μm、0.5μm，阻尼線圈的平均邊長(zhǎng)、線寬、間距、厚度分別為2500μm、50μm、50μm、1μm，匝數(shù)為15，對(duì)于其它量程的電流測(cè)試，可以相應(yīng)的改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。
2、制作掩膜板根據(jù)理論計(jì)算與ANSYS模擬得到的參數(shù)，利用L-EDIT軟件畫(huà)制相應(yīng)版圖，利用光學(xué)方法或者電子束刻蝕制作掩膜版。
3、工藝制作選擇襯底材料，通過(guò)氧化、濺射、光刻、電鍍、刻蝕(干法或者濕法)得到扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，然后在扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)背面制作高反射率的反射鏡面。
A、扭轉(zhuǎn)平面與扭轉(zhuǎn)梁厚度相同結(jié)構(gòu)的具體步驟如下(圖1)a、硅片(厚度250微米到400微米)雙面氧化(氧化層厚度根據(jù)需要腐蝕掉的硅厚度確定)、正面涂膠保護(hù)、背面涂膠光刻顯影、腐蝕氧化硅、去膠、KOH各向異性濕法腐蝕實(shí)現(xiàn)減薄硅片的目的；b、正面涂膠光刻、濺射(蒸發(fā)、電鍍)鋁、丙酮去膠，形成MEMS線圈與電極的連接線；c、正面PECVD(等離子體化學(xué)氣象沉積)二氧化硅(或者氮化硅、也可以涂覆聚酰亞胺)作為MEMS線圈層與連接線層之間的絕緣層、正面涂膠光刻顯影、腐蝕出MEMS線圈與連接線的互連孔；d、正面涂膠光刻顯影、濺射(蒸發(fā))鋁、丙酮去膠(也可以通過(guò)電鍍的方法)制作鋁MEMS線圈與電極；e、背面噴膠、光刻顯影、濺射(蒸發(fā)、電鍍)制作高反射率的反射鏡面(閉合阻尼線圈)；f、正面涂膠光刻顯影，通過(guò)硅的干法刻蝕工藝釋放結(jié)構(gòu)，刻蝕出MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡結(jié)構(gòu)。
B、扭轉(zhuǎn)平面與扭轉(zhuǎn)梁厚度不同結(jié)構(gòu)的具體步驟如下(圖2)a、雙面氧化形成絕緣層(氧化層厚度根據(jù)需要腐蝕掉的硅厚度確定)；b、正面涂膠光刻、濺射(蒸發(fā)、電鍍)鋁、丙酮去膠，作為線圈的引線；c、正面濺射二氧化硅，作為上層線圈與引線的絕緣層，并腐蝕掉內(nèi)線圈與引線的交疊位置處的二氧化硅，在此處制作上層驅(qū)動(dòng)線圈與下層引線的互連孔；d、通過(guò)濺射、光刻、電鍍等工藝制作金屬驅(qū)動(dòng)線圈、電極的引線；e、背面涂膠、光刻顯影、濺射(蒸發(fā)、電鍍)制作高反射率的反射鏡面(閉合阻尼線圈)；f、背面腐蝕掉需刻穿與梁部分的二氧化硅，從背面干法刻蝕硅直至達(dá)到扭轉(zhuǎn)梁需要的厚度；g、從正面腐蝕掉需刻穿部分的二氧化硅，干法刻蝕釋放出扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
4、器件封裝為了防止?jié)穸?、空氣氧化的影響，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓軞?，將器件進(jìn)行封裝，包括打引線等的電路封裝與光學(xué)耦合的測(cè)試部分封裝。按照?qǐng)D7的方式連接整個(gè)器件，MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡通過(guò)支架置于外加永磁鐵產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)中，雙光纖準(zhǔn)直器面向MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡上的反射鏡面，輸入與輸出光纖連接雙光纖準(zhǔn)直器與驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)電路。
5、檢測(cè)采用雙光纖準(zhǔn)直器對(duì)MEMS微鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)特性進(jìn)行檢出。雙光纖準(zhǔn)直器的輸入光纖與輸出光纖共用一個(gè)GRIN(gradient index)透鏡，輸入光纖發(fā)射的光經(jīng)過(guò)GRIN透鏡發(fā)射，經(jīng)過(guò)反射面反射，在經(jīng)過(guò)同一個(gè)GRIN透鏡由輸出光纖接收。根據(jù)雙光纖準(zhǔn)直器原理可知，由其兩根尾纖輸入的光，經(jīng)過(guò)聚焦透鏡傳輸后，光束通常會(huì)以一定角度相交于透鏡前端某點(diǎn)處，該夾角由光纖離軸引起，因此是光軸對(duì)稱的。當(dāng)在該交點(diǎn)附近垂直光軸放置一平面反射鏡時(shí)，根據(jù)光路可逆，由其中一根光纖輸入的光，反射后就會(huì)從另外一根光纖耦合輸出，如果鏡面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，反射光束因不能完全耦合而產(chǎn)生損耗。對(duì)于通常采用的200μm輸出腰斑的準(zhǔn)直器，波長(zhǎng)為1550nm時(shí)光學(xué)測(cè)角方法就有比較高的靈敏度，鏡面僅轉(zhuǎn)動(dòng)0.26°，耦合損耗就可達(dá)到60dB。
由于雙光纖準(zhǔn)直器可分辨的最小損耗為0.001dB，并且雙光纖準(zhǔn)直器與反射鏡面的夾角(為兩光纖的耦合角度的一半)越大引起的損耗也越大，因此在不同的預(yù)偏角下，同樣的角度變化引起的損耗變化卻不一樣，當(dāng)雙光纖準(zhǔn)直器與反射鏡面的預(yù)偏角小時(shí)，雙光纖準(zhǔn)直器對(duì)角度的分辨率較低；當(dāng)雙光纖準(zhǔn)直器的預(yù)偏角較大時(shí)，雙光纖準(zhǔn)直器對(duì)角度的分辨率較高。根據(jù)待測(cè)電流分辨率的要求，測(cè)試前調(diào)節(jié)雙光纖準(zhǔn)直器與鏡面的相對(duì)位置，使得由雙光纖準(zhǔn)直器某根光纖輸入的光經(jīng)過(guò)鏡面反射，全部或者部分從另外一根光纖輸出，并通過(guò)光功率計(jì)監(jiān)測(cè)損耗值，調(diào)節(jié)雙光纖準(zhǔn)直器與鏡面的相對(duì)位置，可以得到不同情況下的預(yù)偏角，然后對(duì)器件的特性進(jìn)行檢測(cè)。
光源驅(qū)動(dòng)電路使光源產(chǎn)生光功率穩(wěn)定的光信號(hào)，光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)雙光纖準(zhǔn)直器的輸入光纖照射到扭轉(zhuǎn)微鏡的反射鏡面，待測(cè)的微弱電流無(wú)需放大電路，直接通過(guò)MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡的輸入線輸入驅(qū)動(dòng)線圈，置于外加永磁鐵產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)中，驅(qū)動(dòng)線圈將受到洛倫茲力產(chǎn)生的力矩作用，驅(qū)動(dòng)MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡偏離初始角位置，反射鏡面將轉(zhuǎn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為光學(xué)信息，通過(guò)輸出光纖傳送到檢測(cè)裝置，由光功率計(jì)與光電轉(zhuǎn)換器、放大器進(jìn)行檢測(cè)，顯示器可得到電流信息。對(duì)于不同的測(cè)試要求，可以改變驅(qū)動(dòng)線圈的層數(shù)、匝數(shù)與長(zhǎng)寬高、扭轉(zhuǎn)梁的長(zhǎng)寬高、扭轉(zhuǎn)平面的長(zhǎng)、寬、高等參數(shù)，同時(shí)改變雙光纖準(zhǔn)直器的預(yù)偏角，直接測(cè)試安培到皮安(10-12A)量級(jí)的電流，最小可以分辨出10-12A的電流。
權(quán)利要求
1.一種微電子機(jī)械系統(tǒng)的光電檢流計(jì)，包括敏感部分和檢測(cè)部分，其特征在于1)敏感部分為螺旋線圈式MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡，主要包括雙端固支式扭轉(zhuǎn)平面(5)、金屬驅(qū)動(dòng)線圈(3)、線圈與電極的引線(2)和扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)背面的反射鏡面(7)；檢測(cè)部分為對(duì)角度敏感的光電角度檢測(cè)系統(tǒng)，它由光源驅(qū)動(dòng)電路(12)、光源(13)、雙光纖準(zhǔn)直器(14)、輸入光纖(15)、輸出光纖(16)、光功率計(jì)(17)、光電轉(zhuǎn)換器(18)、放大器(19)、顯示器(20)構(gòu)成；2)所述的螺旋線圈式MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡通過(guò)微機(jī)械工藝制作的，其中金屬驅(qū)動(dòng)線圈(3)制作于扭轉(zhuǎn)平面(5)上，線圈與電極的引線(2)通過(guò)絕緣層與金屬驅(qū)動(dòng)線圈(3)隔離，反射鏡面(7)位于扭轉(zhuǎn)平面的背面，而扭轉(zhuǎn)平面(5)與梁(4)形成雙端固支結(jié)構(gòu)，整個(gè)MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡通過(guò)支架置于外加永磁鐵產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)中；3)光源(13)及其驅(qū)動(dòng)電路(12)通過(guò)輸入光纖(15)與雙光纖準(zhǔn)直器(14)連接，雙光纖準(zhǔn)直器的端面面向MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡的反射鏡面(7)，通過(guò)輸出光纖(16)連接到光功率計(jì)(17)，而后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器(18)、放大器(19)與顯示器連接(20)。
2.按權(quán)利要求1所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)的光電檢流計(jì)，其特征在于，線圈外側(cè)與電極之間的引線和金屬驅(qū)動(dòng)線圈在同一層，而線圈內(nèi)側(cè)與電極之間的引線通過(guò)絕緣層隔離制作于金屬驅(qū)動(dòng)線圈的上層或者下層，或?qū)⒕€圈內(nèi)、外側(cè)的引線同時(shí)制作于金屬驅(qū)動(dòng)線圈的上層或者下層。
3.按權(quán)利要求1所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)的光電檢流計(jì)，其特征在于，敏感部分的螺旋線圈式微鏡背面制作或不制作閉合的阻尼線圈。
4.按權(quán)利要求1所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)的光電檢流計(jì)，其特征在于，扭轉(zhuǎn)平面為矩形、圓形、或多邊形；金屬驅(qū)動(dòng)線圈為矩形、平行四邊形、多邊形或其它能產(chǎn)生有效力矩的任意形狀；扭轉(zhuǎn)梁為矩形或梯形或?yàn)檎郫B梁。
5.按權(quán)利要求1所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)的光電檢流計(jì)，其特征在于，所述的磁場(chǎng)為釹鐵硼或鎳鐵合金等產(chǎn)生的外加永磁鐵，或通電長(zhǎng)直導(dǎo)線或螺線管產(chǎn)生的恒定或交變磁場(chǎng)；永磁鐵通過(guò)外部支架固定或通過(guò)濺射磁性薄膜直接制作在MEMS結(jié)構(gòu)上。
6.制作如權(quán)利要求1所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)的光電檢流計(jì)的方法，其特征在于敏感部分的螺旋線圈或MEMS微鏡工藝步驟是(1)硅片雙面氧化、正面涂膠保護(hù)、背面涂膠光刻顯影、腐蝕氧化硅、去膠、KOH各向異性濕法腐蝕減薄硅片；(2)正面涂膠光刻、濺射、蒸發(fā)或電鍍、金屬，丙酮去膠，形成MEMS線圈與電極的連接線；(3)正面等離子體化學(xué)氣相沉積二氧化硅、氮化硅或涂覆聚酰亞胺作為MEMS線圈與連接線的絕緣層、正面涂膠光刻顯影、腐蝕出MEMS線圈與連接線的互連孔；(4)正面涂膠光刻顯影、濺射或蒸發(fā)、金屬，丙酮去膠制作MEMS線圈與電極；(5)背面噴膠、光刻顯影、濺射、蒸發(fā)或電鍍制作高反射率的反射鏡面；(6)正面涂膠光刻顯影，通過(guò)硅的干法刻蝕工藝釋放結(jié)構(gòu)，刻蝕出MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡結(jié)構(gòu)。
7.按權(quán)利要求6所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)的光電檢流計(jì)的制作方法，特征在于，制作的高反射率的反射鏡面為高反射率的介質(zhì)膜或?yàn)锳u、Ag或鋁的金屬膜。
8.使用如權(quán)利要求1的微電子機(jī)械系統(tǒng)的光電檢流計(jì)的檢測(cè)方法，其特征在于檢測(cè)信號(hào)時(shí)，MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡通過(guò)支架垂直置于永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中；將待測(cè)的直流微弱電流直接輸入金屬驅(qū)動(dòng)線圈(3)，驅(qū)動(dòng)線圈將受到洛倫茲力產(chǎn)生的力矩作用，驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)偏離初始角位置，光源(13)發(fā)出的光通過(guò)輸入光纖(15)輸入到雙光纖準(zhǔn)直器(14)，將轉(zhuǎn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為光學(xué)信息，通過(guò)輸出光纖(16)傳送到檢測(cè)裝置，由光功率計(jì)(17)與光電轉(zhuǎn)換器(18)放大器(19)進(jìn)行檢測(cè)，顯示器(20)可得到電流信息。
9.按權(quán)利要求8所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)的光電檢流計(jì)檢測(cè)方法，其特征在于檢測(cè)的電流量根據(jù)靜態(tài)偏角檢測(cè)出的直流電流，或根據(jù)穩(wěn)定的振蕩幅度檢測(cè)的低頻交流微電流。
10.按權(quán)利要求8或9所述的微電子機(jī)械系統(tǒng)的光電檢流計(jì)檢測(cè)方法，其特征在于利用雙光纖準(zhǔn)直器對(duì)角度非常敏感的特性對(duì)偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測(cè)，得到光信號(hào)的損耗與扭轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，經(jīng)過(guò)光纖傳輸、光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理后測(cè)量出微電流值，也可以通過(guò)光電反饋的方法測(cè)量微電流。雙光纖準(zhǔn)直器的輸入光纖與輸出光纖共用一個(gè)GRIN透鏡，輸入光纖發(fā)射的光經(jīng)過(guò)GRIN透鏡發(fā)射，經(jīng)過(guò)反射面反射，在經(jīng)過(guò)同一個(gè)GRIN透鏡由輸出光纖接收。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro－Electronic MechanicSystem，MEMS)的光電檢流計(jì)、制作及其檢測(cè)方法，其特征在于采用微機(jī)械工藝制作螺旋線圈式MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡。無(wú)需放大電路，將待測(cè)的直流或低頻微弱電流輸入驅(qū)動(dòng)線圈，置于外加永磁鐵產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)中，驅(qū)動(dòng)線圈將受到洛倫茲力產(chǎn)生的力矩作用，驅(qū)動(dòng)微鏡偏離初始位置，利用雙光纖準(zhǔn)直器對(duì)角度非常敏感的特性進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)光信號(hào)的損耗量與扭轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理后測(cè)量出電流值。這種MEMS光電檢流計(jì)，輸入端無(wú)需放大電路，可達(dá)到安培至皮安量級(jí)電流的直接準(zhǔn)確測(cè)量，克服了微弱電流信號(hào)放大過(guò)程中引起的噪聲干擾和漂移等技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)輸入端與輸出端的光電隔離，是一種體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可以批量生產(chǎn)和抗震性好的高靈敏度光電檢流計(jì)。
文檔編號(hào)G01R19/00GK1844937SQ20061002652
公開(kāi)日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者吳亞明, 趙本剛, 高翔, 劉玉菲, 徐靜 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