本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)（micro-electromechanicalsystems,mems）領域，涉及一種基于納米復合材料的自驅動、自感知懸臂梁傳感器及其制造方法。

背景技術：

作為人類獲取自然、生產和生活領域中信息的主要途徑與手段，傳感器早已滲透到工業(yè)生產、環(huán)境保護、醫(yī)學診斷等廣泛的領域。毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至人體內部，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。據(jù)《中國傳感器市場深度評估及發(fā)展預測報告（2016版）》顯示：2014年，全球傳感器市場規(guī)模已達1260億美元，同比增長20%左右。中國、美國、日本、德國四國合計占據(jù)全球傳感器市場份額的72%。雖然我國占據(jù)了全球約11%的傳感器市場份額，但70%左右的關鍵技術卻掌握在意法半導體、博世、飛思卡爾等外資企業(yè)手中，缺少自主知識產權的核心技術是目前我國傳感器行業(yè)發(fā)展遇到的最大瓶頸。mems是在微電子技術的基礎上發(fā)展起來的，涉及電子、機械、材料等多種學科的前沿研究領域，具有廣闊的應用前景，也是精密傳感器制造的首選技術。與傳統(tǒng)技術相比，采用mems工藝制備的傳感器具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。

微懸臂梁是結構最為簡單的mems器件之一，可作為一種實時性好、靈敏度高的敏感元件使用，用來測量微小力、微小質量或微小振動的變化。由于具有高分辨率、結構簡單、易陣列化等特點，自問世以來一直是精密傳感器制造技術的研究熱點。近年來懸臂梁傳感器的應用范圍已經(jīng)擴展到化學分析、生物檢驗、醫(yī)藥篩選、環(huán)境監(jiān)測等諸多領域。隨著應用領域的不斷拓展，使得懸臂梁傳感器正朝著多功能、智能化、集成化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，這無疑也對傳感器的設計、制備和裝配提出了更高的要求。目前集成在μtas中的懸臂梁傳感器多工作在靜態(tài)模式下，信噪比較低，易受到現(xiàn)場環(huán)境的干擾。而目前廣泛應用的光學檢測信號提取法，仍然需要依托復雜的原子力顯微鏡系統(tǒng)實現(xiàn)檢測，無法充分發(fā)揮懸臂梁體積小、重量輕的優(yōu)勢，也不適合傳感器的小型化與集成化。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：

本發(fā)明在國家自然科學基金項目（項目編號：61372019）的支持下，意在以mems工藝為基礎，采用新型的多晶硅納米材料，提出一款擁有自驅動、自感知功能的納米復合材料懸臂梁傳感器及其制備工藝。利用多晶硅納米膜優(yōu)異的機械特性，減小懸臂梁彈性層的殘余應力，提升多層復合結構的穩(wěn)定性；通過嵌套式布局和階梯式結構等合理設計，保證傳感器的靈敏度和機械響應，推動精密傳感器技術智能化、集成化應用進程。在保證檢測靈敏度和重現(xiàn)性的基礎上，提高懸臂梁傳感器的集成化程度，為其在便攜式檢測儀器、可穿戴醫(yī)療設備、智能化精密傳感器等領域的商品化奠定基礎。

技術方案：

一種基于納米復合材料的自驅動、自感知懸臂梁傳感器，其特征在于：包括中二氧化硅層，中二氧化硅層下端面的一側鋪有下單晶硅層，下單晶硅層截面為上寬下窄的梯形，下單晶硅層的下端面鋪有下二氧化硅保護層，中二氧化硅層上端面鋪有u型的pzt下驅動電極層，pzt下驅動電極層的u型開口側與下單晶硅層所在側相同，pzt下驅動電極層的u型開口一側端部設置有pzt下層驅動電極金屬引線，pzt下驅動電極層的上端面鋪有與其形狀相對應的pzt層，pzt層上端面鋪有與其形狀相對應的pzt上驅動電極層，pzt上驅動電極層的u型開口與pzt下層驅動電極金屬引線相同側端部設置有pzt上層驅動電極金屬引線，pzt下驅動電極層、pzt層和pzt上驅動電極層封閉端對齊形成u型結構，中二氧化硅層上端面與u型結構三面包圍的空間鋪有上單晶硅層，上單晶硅層上端面鋪有上二氧化硅保護層，在中二氧化硅層上端面和上單晶硅層內設有壓阻感知層，壓阻感知層的上端面設置有檢測電橋電阻和壓阻感知層金屬引線，檢測電橋電阻的高度與上二氧化硅保護層上表面齊平，壓阻感知層金屬引線的高度高于上二氧化硅保護層的上表面，在中二氧化硅層上端面u型結構封閉側的外側鋪有下層多晶硅納米膜，下層多晶硅納米膜上端面鋪有二氧化硅納米膜，二氧化硅納米膜上端面鋪有上層多晶硅納米膜。

所述檢測電橋電阻的數(shù)量為4個，2*2陣列，構成檢測電橋。

所述壓阻感知層金屬引線的數(shù)量為2個。

所述pzt上驅動電極層位于u型結構開口兩側的部分，其長度短于pzt層位于u型結構開口兩側的部分。

所述pzt層位于u型結構開口兩側的部分，其長度短于pzt下驅動電極層位于u型結構開口兩側的部分。

基于納米復合材料的自驅動、自感知懸臂梁傳感器的制造方法，其特征在于：

1）.采用化學機械拋光、電化學減薄或等離子拋光等方法，將soi基底材料的上單晶硅層減薄到所需厚度；

2).采用熱氧化技術在soi的上單晶硅層表面形成上二氧化硅保護層和下二氧化硅保護層，或只在上表面形成上二氧化硅保護層；

3).刻蝕帶有上二氧化硅保護層的soi材料，形成u型槽微結構；

4).采用離子注入結合熱處理工藝形成帶有檢測電橋電阻的壓阻感知層；

5).采用光刻和濺射工藝制備用于檢測信號提取的壓阻感知層金屬引線；

6).在u型槽結構上采用光刻和濺射工藝制備pzt下驅動電極層；

7).采用“溶膠-凝膠”工藝在pzt下驅動電極層上制備pzt層；

8).重復步驟制備pzt上驅動電極層；

9).重復步驟制備pzt上驅動電極層、pzt下驅動電極層、pzt上層驅動電極金屬引線和pzt下層驅動電極金屬引線；

10).采用lpcvd工藝結合熱氧化技術制備由納米多晶硅和二氧化硅構成的納米復合材料敏感彈性層；

11).光刻和刻蝕soi的下單晶硅層，形成“硅杯”結構，釋放懸臂梁。

優(yōu)點及效果：

本發(fā)明以mems工藝為基礎，采用新型的多晶硅納米材料，設計并制備出擁有自驅動、自感知功能的納米復合膜懸臂梁傳感器。利用多晶硅納米膜優(yōu)異的機械特性，減小懸臂梁彈性層的殘余應力，提升多層復合結構的穩(wěn)定性。通過嵌套式布局和階梯式結構等合理設計，保證傳感器的靈敏度和機械響應。以頻率檢測為主的動態(tài)模式則因擁有對樣品破壞小、檢測速度快、抗干擾能力強等特點，更適合小型化、實時化應用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明懸臂梁傳感器的結構示意圖；

圖2為圖1的a-a剖面圖；

圖3為圖1的b-b剖面圖；

圖4為soi基底材料示意圖；

圖5為soi基底材料上單晶硅層減薄示意圖；

圖6為soi基底材料上單晶硅層減薄后表面熱氧化示意圖；

圖7為u型槽微結構示意圖；

圖8為u型槽兩側結構斷面示意圖；

圖9為u型槽中間結構斷面示意圖；

圖10為壓阻感知層制備工藝示意圖；

圖11為檢測電橋制備工藝示意圖；

圖12為電橋引線孔及引線制備工藝示意圖；

圖13為pzt下驅動電極層制備工藝示意圖；

圖14為pzt層制備工藝示意圖；

圖15為pzt上驅動電極層制備工藝示意圖；

圖16為電極層金屬引線制備工藝示意圖；

圖17為下層多晶硅納米膜制備工藝示意圖；

圖18為二氧化硅納米膜制備工藝示意圖；

圖19為上層多晶硅納米膜制備工藝示意圖；

圖20為制備硅杯結構工藝示意圖；

圖21為釋放微梁工藝示意圖。

所述標注為：101.下單晶硅層、102.上單晶硅層、201.下二氧化硅保護層、202.中二氧化硅層、203.上二氧化硅保護層、204.二氧化硅納米膜、3.壓阻感知層、4.檢測電橋電阻、5.壓阻感知層金屬引線、601.pzt下驅動電極層、602.pzt上驅動電極層、7.pzt層、8.pzt上層驅動電極金屬引線、9.pzt下層驅動電極金屬引線、1001.下層多晶硅納米膜、1002.上層多晶硅納米膜、11.納米復合材料敏感彈性層。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的說明：

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明提出一種基于納米復合材料的自驅動、自感知懸臂梁傳感器結構包括中二氧化硅層202，中二氧化硅層202下端面的一側鋪有下單晶硅層101，下單晶硅層101截面為上寬下窄的梯形，下單晶硅層101的下端面鋪有下二氧化硅保護層201，中二氧化硅層202上端面鋪有u型的pzt下驅動電極層601，pzt下驅動電極層601的u型開口側與下單晶硅層101所在側相同，pzt下驅動電極層601的u型開口一側端部設置有pzt下層驅動電極金屬引線9，pzt下驅動電極層601的上端面鋪有與其形狀相對應的pzt層7，pzt層7上端面鋪有與其形狀相對應的pzt上驅動電極層602，pzt上驅動電極層602的u型開口與pzt下層驅動電極金屬引線9相同側端部設置有pzt上層驅動電極金屬引線8，pzt下驅動電極層601、pzt層7和pzt上驅動電極層602封閉端對齊形成u型結構，中二氧化硅層202上端面與u型結構三面包圍的空間鋪有上單晶硅層102，上單晶硅層102上端面鋪有上二氧化硅保護層203，在中二氧化硅層202上端面和上單晶硅層102內設有壓阻感知層3，壓阻感知層3的上端面設置有4個檢測電橋電阻4和2個壓阻感知層金屬引線5，檢測電橋電阻4為2*2陣列，構成檢測電橋，檢測電橋電阻4的高度與上二氧化硅保護層203上表面齊平，壓阻感知層金屬引線5的高度高于上二氧化硅保護層203的上表面，在中二氧化硅層202上端面u型結構封閉側的外側鋪有下層多晶硅納米膜1001，下層多晶硅納米膜1001上端面鋪有二氧化硅納米膜204，二氧化硅納米膜204上端面鋪有上層多晶硅納米膜1002。

所述pzt上驅動電極層602位于u型結構開口兩側的部分，其長度短于pzt層7位于u型結構開口兩側的部分；所述pzt層7位于u型結構開口兩側的部分，其長度短于pzt下驅動電極層601位于u型結構開口兩側的部分。

本發(fā)明所述傳感器芯片的制造方法如下：

1）.采用化學機械拋光、電化學減薄或等離子拋光等方法，將soi基底材料的上單晶硅層102減薄到所需厚度；

2）.采用熱氧化技術在soi的上單晶硅層102表面形成上二氧化硅保護層203和下二氧化硅保護層201，或只在上表面形成上二氧化硅保護層203；

3）.刻蝕帶有上二氧化硅保護層203的soi材料，形成u型槽微結構；

4）.采用離子注入結合熱處理工藝形成帶有檢測電橋電阻4的壓阻感知層3；

5）.采用光刻和濺射工藝制備用于檢測信號提取的壓阻感知層金屬引線5；

6）.在u型槽結構上采用光刻和濺射工藝制備pzt下驅動電極層601；

7）.采用“溶膠-凝膠”工藝在pzt下驅動電極層601上制備pzt層7；

8）.重復步驟（6）制備pzt上驅動電極層602；

9）.重復步驟（5）制備pzt上驅動電極層602、pzt下驅動電極層601、pzt上層驅動電極金屬引線8和pzt下層驅動電極金屬引線9；

10）.采用lpcvd工藝結合熱氧化技術制備由納米多晶硅和二氧化硅構成的納米復合材料敏感彈性層11；

11）.光刻和刻蝕soi的下單晶硅層101，形成“硅杯”結構，釋放懸臂梁。

本發(fā)明的設計原理如下：

一種基于納米復合材料的自驅動、自感知懸臂梁傳感器主要由soi基底、壓阻感知層、壓電驅動層和敏感彈性層等結構組成。在soi基材上表面的單晶硅上制作懸臂梁、u型槽等微結構，并為其他功能層提供支撐；在u型槽結構的中空位置上采用離子注入、光刻、刻蝕或濺射等工藝制作壓阻感知層及其檢測信號提取電橋、引線。壓阻感知原理是基于半導體材料的壓阻效應，在soi基材的合適區(qū)域摻雜半導體材料制備成壓敏電阻，當懸臂梁的振動狀態(tài)發(fā)生變化時會引起阻值變化，通過電橋測量阻值和懸臂梁姿態(tài)間的關系并轉化為電信號輸出，即可實現(xiàn)懸臂梁傳感器的自檢測。

在u型槽結構上采用濺射、“溶膠-凝膠”和光刻等工藝制作pzt層及其上下驅動電極、引線。壓電驅動層原理是基于pzt材料的逆向壓電效應，當沿著懸臂梁的法向施加正向電場時，pzt薄膜收縮，懸臂梁將向下偏轉；當沿著懸臂梁的法向施加負向電場時，壓電薄膜伸張，懸臂梁將向上偏轉；當電場方向交替變換時，pzt薄膜交替“收縮-伸張”，驅動懸臂梁延其法向振動，即可實現(xiàn)自激勵。

采用lpcvd和熱氧化技術制備由多晶硅納米膜和二氧化硅納米膜交替構成的復合材料彈性敏感層。傳感器的敏感檢測原理是將懸臂梁的一端固定（固定端），當在pzt驅動電極上施加交變電場時，懸臂梁的另一端（自由端）將延其法向振動。當自由端的質量或受力情況發(fā)生變化時，會使法向振動特性發(fā)生變化。通過壓阻層感知這些變化并利用電橋將其轉化為電信號輸出，即可獲得懸臂梁自由端上待測樣品的信息。

實施例：

如圖4-6所示，利用機械研磨結合電化學減薄技術將soi圓片的上單晶硅層102減薄到所需厚度（0.5μm~1μm）并進行拋光，隨后采用熱氧化技術形成上二氧化硅保護層203（厚度為：0.2μm~0.4μm）。

如圖7-9所示，使用氫氟酸溶液刻蝕上二氧化硅保護層203，得到刻蝕窗口。隨后利用氫氧化鉀溶液向下刻蝕soi上二氧化硅保護層203直至中二氧化硅層202為止，得到u型槽結構。

如圖10-12所示，在u型結構的三面包圍的空間進行硼離子注入，形成p型的壓阻感知層3（注入能量為：60kev；劑量為：8×1014/cm³~10×1014/cm³；950℃,氮氣中退火30min；壓阻感知層3厚度為：0.2μm~0.4μm）。隨后采用光刻、熱處理等工藝形成檢測電橋電阻4。最后用光刻膠做掩模，用緩沖氫氟酸腐蝕掉部分上二氧化硅保護層203和上單晶硅層102形成引線孔，濺射500nm厚鋁膜，光刻鋁膜形成壓阻感知層金屬引線5。

如圖13-16所示，在u型結構上濺射pt/ti，制備pzt下層驅動電極層601（厚度為：0.1μm~0.2μm）。隨后采用“溶膠-凝膠”法制備pzt層7（厚度為：0.2μm~0.4μm）。具體步驟為，采用分析純三水醋酸鉛（pb(ch3coo)2?3h2o）、硝酸鋯（zr(no3)4?5h2o）和鈦酸四丁酯（ti(oc4h9)4）為原料，乙二醇單甲醚（ch3och2ch2oh）、乙酰丙酮（ch3coch2coch3）和醋酸作為添加劑，按照一定比例配置成pzt溶膠。利用旋涂儀將溶膠均勻涂覆在pzt下驅動電極層601表面，干燥后形成pzt層7。最后濺射pt/ti形成pzt上驅動電極層602（厚度為：0.1μm~0.2μm）。pzt上驅動電極層602、pzt下層驅動電極層601和pzt層7共同構成懸臂梁傳感器的壓電驅動層。在下驅動電極層601的u型開口側采用光刻、濺射工藝制備下層驅動電極金屬引線。

如圖17-19所示，采用lpcvd技術（溫度：900℃~1200℃；時間：10min~180min；氮氣保護）在懸臂梁自由端的中二氧化硅層202上淀積一層0.1~0.2μm厚的多晶硅形成下層多晶硅納米膜1001，隨后采用熱氧化法在下層多晶硅納米膜1001上生成厚度為0.1~0.2μm第二層二氧化硅納米膜204，最后在二氧化硅納米膜204上采用lpcvd技術淀積厚度為0.1~0.2μm的第二層上層多晶硅納米膜1002。懸臂梁傳感器的自由端彈性敏感層由多晶硅納米膜和二氧化硅納米膜周期性交替構成，利用多晶硅納米膜優(yōu)異的機械特性，減小懸臂梁彈性層的殘余應力，提升多層復合結構的穩(wěn)定性。

如圖20、21所示，將soi基材的上層用光刻膠掩模后，采用感應藕合等離子體深刻蝕技術(inductivelycoupledplasmadeepreactiveionetching,icpdrie)刻蝕soi基材背面的單晶硅層101直至中間中二氧化硅層202，形成硅杯結構。隨后厚膠掩模soi基材背面，用氫氟酸從中二氧化硅層202的底面開始腐蝕，直至soi基材的上層光刻膠掩模，釋放懸臂梁結構。

采用上述方法得到的自驅動、自感知懸臂梁傳感器諧振頻率220~500khz，典型值335khz；力常數(shù)15~115n/m，典型值45n/m；對微小質量的分辨率為：1×10-15~1×10-17g。

在本發(fā)明中的懸臂梁自由端修飾特異性功能涂層，可將傳感器的檢測對象擴展至重金屬離子、有毒氣體和生物細胞等多個領域。