一種巨壓阻雙諧振質量傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種巨壓阻雙諧振質量傳感器，包括傳感器芯片和外部電路，其特征是，所述傳感器芯片包括兩個通過細納米桿相連的諧振式傳感器芯片和溫度補償裝置芯片，所述諧振式傳感器芯片包括諧振式傳感器的敏感結構、硅底層、絕緣二氧化硅層、硅頂層、鋁頂層、激勵電極、激勵電極引出端電極和檢測電極，所述硅底層、絕緣二氧化硅層、硅頂層從下至上依次設置，所述的鋁頂層與硅頂層處于同一層。本實用新型中的單晶硅納米諧振薄膜表面通過修飾工藝處理過，帶有殘余應力，比傳統硅壓阻式諧振膜的應變系數高約2?3個數量級。此外，為消除溫度對壓阻阻值變化的影響，在本實用新型中引入了溫度補償裝置，大大地提高了測量的分辨率與靈敏度。
【專利說明】
一種巨壓阻雙諧振質量傳感器
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種巨壓阻雙諧振質量傳感器，屬于微納電子機械系統(MEMS/NEMS )技術領域。
【背景技術】
[0002]近年來，微納機械諧振器作為高靈敏度的質量傳感器已經得到廣泛的發展，這類傳感器主要通過將外加質量或壓力的變化轉換為對應諧振頻率的變化，然后通過頻率與質量或壓力的關系得出待測物體質量值。在生化傳感領域，已經投入使用的石英晶體微天平(QCM)就是運用了這個原理:將石英晶振電極表面質量變化轉化為石英晶體振蕩電路輸出電信號的頻率變化，進而通過計算機等其他輔助設備獲得高精度的數據，是一種非常靈敏的質量檢測儀器。
[0003]但是目前的諧振式質量傳感器存在如下問題:(I)在液體檢測環境中，傳感器電信號輸出端在電解質溶液的影響下，其凈輸出電壓受到很大的限制。另外，由于流體阻尼的作用，其能量消耗會增加，最終導致過高的動態電阻，影響測量的準確度；(2)壓阻的阻值變化受外加質量(壓力)和環境溫度的雙重影響，尤其在超微量檢測中，環境溫度對結果的影響更大，目前的諧振式質量傳感器通常都缺少溫度補償措施；(3)傳統通過摻雜工藝的硅壓敏電阻的應變系數較小，隨著目前傳感器尺寸的變小，傳統摻雜工藝的壓敏電阻已經不能滿足現代高靈敏度檢測的要求，尤其是生化類壓力傳感器超微量超快檢測的要求。
【發明內容】
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種巨壓阻雙諧振質量傳感器及其制作方法。
[0005]為解決上述技術問題，本實用新型提供一種巨壓阻雙諧振質量傳感器，包括傳感器芯片和外部電路，其特征是，所述傳感器芯片包括兩個通過細納米桿相連的諧振式傳感器芯片和溫度補償裝置芯片，所述諧振式傳感器芯片包括諧振式傳感器的敏感結構、硅底層、絕緣二氧化硅層、硅頂層、鋁頂層、激勵電極、激勵電極引出端電極和檢測電極，所述硅底層、絕緣二氧化硅層、硅頂層從下至上依次設置;所述的鋁頂層與硅頂層處于同一層的不同區域，所述激勵電極引出端電極和檢測電極設置在鋁頂層，所述激勵電極設置在硅頂層，所述諧振式傳感器的敏感結構設置在硅頂層，所述諧振式傳感器的敏感結構包括單晶硅納米諧振薄膜和T型納米桿，所述單晶娃納米諧振薄膜通過T型納米桿銷定在娃頂層中心位置，所述激勵電極引出端電極通過二氧化硅表面的導線與激勵電極相連，所述檢測電極與所述T型納米桿相連;所述外部電路包括調理電路和控制電路，所述調理電路電聯接傳感器芯片和控制電路，所述控制電路和傳感器芯片電聯接。
[0006]進一步的，所述調理電路包括依次電聯接的運放電路、濾波電路、模擬示波器;所述控制電路包括依次電聯接的模數轉換器、DC/DC隔離器、微處理器、液晶顯示器，所述控制電路還包括分別與微處理器電聯接的數模轉換器和線性電源;其中調理電路的模擬示波器與控制電路的模數轉換器電聯接;其中運放電路的反向輸入端與所述的其中一個諧振式傳感器芯片的一個檢測電極電聯接，運放電路的正向輸入端與所述溫度補償裝置芯片的一個檢測電極電聯接，數模轉換器與上述該諧振式傳感器芯片的引出端電極電聯接。
[0007]進一步的，所述運放電路是差模輸入的運放電路，所述濾波電路是帶通濾波電路，所述模數轉換器是16位的ADS8319模數轉換器，所述DC/DC隔離器是型號為ADUM5000的DC/DC隔離器、所述微處理器是三星的S3C2410微處理器、所述液晶顯示器是2.8寸TFTIXD液晶顯示器、所述數模轉換器是16位的DAC8531數模轉換器，所述線性電源是LDO線性電源。
[0008]進一步的，所述單晶娃納米諧振薄膜呈方形，所述激勵電極與單晶娃納米諧振薄膜對應的四個邊呈等距分布。
[0009]進一步的，所述單晶娃納米諧振薄膜表面用等離子體Ba和Hf進行工藝修飾。
[0010]進一步的，所述溫度補償裝置芯片的尺寸與材料與諧振傳感器芯片一致。
[0011 ]進一步的，所述兩個諧振式傳感器芯片的兩個單晶硅納米諧振薄膜之間通過兩根細納米桿實現頻率耦合，諧振薄膜的四個角沿著T型納米桿進行擴展與壓縮運動。
[0012]本實用新型所達到的有益效果:
[0013]I)雙諧振器之間通過兩根細納米桿進行耦合，使得質量感應區與信號檢測區在空間上分離開來，最大可能的實現了生化感應與物理傳導的最優化，最大化降低了在液體測量環境中，電解質溶液對測量結果的影響；
[0014]2)為了消除了環境溫度對壓阻阻值變化的影響，在本實用新型中設計了一個材料相同，外觀與諧振器稍有差別的溫度補償裝置，其輸出的電信號與諧振器輸出的電信號之差作為運放電路的差分輸入信號，有效的提高了測量結果的準確度；
[0015]3)本實用新型選用的壓阻陣列是一種新型的利用表面修飾工藝處理過的，帶有較大的殘余應力，其所表征的巨壓阻效應的電阻應變系數高達4000-5000，比傳統體加工的硅壓阻的電阻應變系數高2-3個數量級，壓阻陣列在壓力作用下產生的巨壓阻效應能夠大大提高傳感器的檢測靈敏度和分辨率。易于實現微量檢測；
[0016]4)檢測電極輸出的電信號通過外部電路的調理與控制，可以更加穩定，有效的反饋給激勵電極，電信號的值可以直接通過液晶顯示屏讀出，電信號的輸出波形也可以從模擬示波器中直觀的看出。不用再通過后期的數據擬合得出電壓波形曲線，大大提高了效率；
[0017]5)本專利設計大幅度提高雙諧振質量傳感器的靈敏度和分辨率，同時大大降低了液體環境以及環境溫度對測量結果的影響，提高了檢測數據的精度和可靠性。
【附圖說明】
[0018]圖1是通過工藝修飾過的單晶硅納米諧振薄膜表面壓阻分布模型圖；
[0019]圖2(a)是巨壓阻雙諧振質量傳感器芯片制備流程步驟一俯視圖；
[0020]圖2(b)是巨壓阻雙諧振質量傳感器芯片制備流程步驟三俯視圖；
[0021 ]圖2 (C)是巨壓阻雙諧振質量傳感器芯片制備流程步驟四俯視圖；
[0022]圖2(d)是巨壓阻雙諧振質量傳感器芯片制備流程步驟六俯視圖；
[0023]圖2(e)是巨壓阻雙諧振質量傳感器芯片制備流程步驟八俯視圖；
[0024]圖2(f)是巨壓阻雙諧振質量傳感器芯片制備流程俯視圖中的說明圖；
[0025]圖3是巨壓阻雙諧振質量傳感器與外部電路連接示意圖。
[0026]圖中的1-10是激勵電極引出端電極，11-22是檢測電極，23-34是T型納米桿，35、36是細納米桿。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。
[0028]兩個諧振式傳感器芯片以下簡稱為諧振器I和諧振器Π。
[0029]如圖1所示，由于單晶硅材料是各向異性的，其壓阻系數與晶向有關，在應力敏感器件設計中，晶體的取向主要有〈110〉，〈100>晶面兩種，而當壓阻的取向在〈110〉晶向時，壓阻系數最大，故在本發明中，單晶硅納米諧振薄膜表面的壓阻分布是沿著〈110〉晶向的。此時的單晶硅納米薄膜表面就等效認為在T型納米桿24與26所在的對角線方向排列了眾多壓阻單元，這些串聯的和并聯的壓阻單元組成了一個規則的壓阻陣列，并且沿著檢測電極12與檢測電極14所在的對角線兩邊對稱分布，對角線上分布的壓阻單元最多。通過有限元仿真可知，此時單晶硅納米薄膜所表征出的壓阻系數最大。當有外界激勵信號作用時，納米諧振薄膜就會沿著T型納米桿23?26在一個平面內作一定頻率的擴展與壓縮運動，向內的黑色箭頭代表向內壓縮運動，向外的黑色箭頭代表向外擴展運動，其中，等效壓阻陣列的總阻值為Rr，四個T型納米桿的總阻值為Rt。
[0030]如圖2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示，一種巨壓阻雙諧振質量傳感器的制造方法，其特征在于:包括如下步驟:
[0031]步驟一:如圖2(a)所示，選用N型110晶向的Si作為傳感器芯片制備的材質，其中方形納米諧振薄膜的長度為150-300μηι，厚度為50-200nm;
[0032]步驟二:分別用硫酸與雙氧水混合溶液和去離子DI水各沖洗Si娃片15分鐘左右；
[0033]步驟三:如圖2(b)所示，在Si硅芯片的硅頂層以傾斜角度5-9°，20keV能量注入116每立方厘米劑量的As離子，時間為10分鐘，然后放置于高溫退火爐中25-35秒以使As離子均勾分布；
[0034]步驟四:在硅頂層旋涂光刻膠，如圖2(c)所示，通過電子束曝光設計有納米諧振薄膜圖案、T型納米桿圖案、電極圖案、導線圖案的掩膜版進行光刻；
[0035]步驟五:接著在SF6/N2環境下，通過ICP干法刻蝕Si硅芯片上表面，刻到二氧化硅層停止；
[0036]步驟六:以硅作為掩膜，通過BOE溶液濕法腐蝕傳感器敏感結構下的二氧化硅，刻到襯底硅停止，釋放出傳感器敏感結構，如圖2( d)所示；
[0037]步驟七:利用等離子體Ba和Hf間隔20-40分鐘先后對硅壓阻陣列表面進行兩次注入轟擊，使得壓阻陣列表面形成粗糙度的缺陷以及帶電荷的雜質，同時在薄膜內形成較大的殘余應力，有效地調制硅壓阻陣列的巨壓阻特性；
[0038]步驟八:如圖2(e)所示，以溫度400_450°C，時間為35-45分鐘濺射鋁作為諧振器和溫度補償裝置的檢測電極和激勵電極引出端電極，導線。
[0039]如圖3所示，傳感器芯片的具體結構如下:整個傳感器芯片分為三大塊:諧振器1、諧振器Π、溫度補償裝置;在諧振器I上，激勵電極引出端電極I?3，它們通過二氧化硅表面的導線與激勵電極相連，諧振器I上的單晶硅納米諧振薄膜通過T型納米桿23?26錨定在硅表面，檢測電極11?14與T型納米桿23?26是連在一起的；在諧振器Π上，激勵電極引出端電極4?6，它們通過二氧化硅表面的導線與激勵電極相連，諧振器Π上的單晶硅納米諧振薄膜通過T型納米桿27?30錨定在硅表面，檢測電極15?18與T型納米桿27?30是連在一起的；諧振器I與諧振器Π之間通過細納米桿35?36連接，從而實現機械耦合諧振;在溫度補償裝置上，激勵電極引出端電極7?10，它們通過二氧化硅表面的導線與激勵電極相連，溫度補償裝置通過T型納米桿31?34錨定在硅表面，檢測電極19?22與T型納米桿31?34是連在一起的。
[0040]如圖3所示，該傳感器具體測量方法如下:諧振器Π作為質量感應區，諧振器I為振動激勵和信號檢測區，諧振器I與諧振器Π的固有質量為mo，固有頻率為fo，壓阻陣列的電阻值為Rr，四個T型納米桿的總阻值為Rt。諧振器I的檢測電極12連接微分運算電路的反向輸入端，溫度補償裝置的檢測電極19連接微分運算電路的正向輸入端，從而通過這種差分輸入實現環境溫度誤差補償。本案例中，當諧振器Π上有外加質量m。時，機械耦合在一起的諧振器I的薄膜也發生彈性形變，由于巨壓阻效應的作用，納米薄膜表面的壓阻陣列的阻值發生顯著變化，其阻值變化的值為ARrl,在外加直流電源Vd的作用下，運算電路的反向輸入端的輸入電流Im?(Vd/R) * ( Δ Rrl/Rr)，其中R=Rr+Rt，正向輸入端輸入的電流為In?(Vd/R) * (A Rr2/Rr)，其中Rr2為壓阻陣列的阻值在溫度影響下的變化值，差分輸入信號經運放電路的處理輸出交流電壓Vo，其中Vo= I Vo I coswot，交流電壓Vo經濾波電路濾去表面紋波后，在模擬示波器上顯示出穩定的電壓波形曲線，經A/D模數轉換器ADS8319轉換為16位的二進制數，實時的電壓值在TFTIXD上顯示出來，采集到的數字量經微處理器S3C2410傳送給D/A數模轉換器DAC8531轉換為模擬電壓值V2，其中V2?Vo，輸出的V2反饋到諧振器I的激勵電極引出端電極I?3上，構成閉環自激系統。電容器C3在外加交流電壓￥2與直流偏置電壓化的作用下，產生一個大小為Fo的靜電力，其中Fo=Iz^O(VdV2)2,其中C為電容器容量，X為電容器極板間的距離。諧振器I與諧振器Π在靜電力Fo作用下產生振動，此時質量變化后的振動頻率變為fi，通過公式mc =-2mo A f / fo便可以得到外加質量mc的大小，其中Δ f=；!^-；!^。
[0041]以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1.一種巨壓阻雙諧振質量傳感器，包括傳感器芯片和外部電路，其特征是，所述傳感器芯片包括兩個通過細納米桿相連的諧振式傳感器芯片和溫度補償裝置芯片，所述諧振式傳感器芯片包括諧振式傳感器的敏感結構、硅底層、絕緣二氧化硅層、硅頂層、鋁頂層、激勵電極、激勵電極引出端電極和檢測電極，所述硅底層、絕緣二氧化硅層、硅頂層從下至上依次設置;所述的鋁頂層與硅頂層處于同一層的不同區域，所述激勵電極引出端電極和檢測電極設置在鋁頂層，所述激勵電極設置在硅頂層，所述諧振式傳感器的敏感結構設置在硅頂層，所述諧振式傳感器的敏感結構包括單晶硅納米諧振薄膜和T型納米桿，所述單晶硅納米諧振薄膜通過T型納米桿錨定在硅頂層中心位置，所述激勵電極引出端電極通過二氧化硅表面的導線與激勵電極相連，所述檢測電極與所述T型納米桿相連;所述外部電路包括調理電路和控制電路，所述調理電路電聯接傳感器芯片和控制電路，所述控制電路和傳感器芯片電聯接。2.根據權利要求1所述的一種巨壓阻雙諧振質量傳感器，其特征是，所述調理電路包括依次電聯接的運放電路、濾波電路、模擬示波器;所述控制電路包括依次電聯接的模數轉換器、DC/DC隔離器、微處理器、液晶顯示器，所述控制電路還包括分別與微處理器電聯接的數模轉換器和線性電源;其中調理電路的模擬示波器與控制電路的模數轉換器電聯接;其中運放電路的反向輸入端與所述的其中一個諧振式傳感器芯片的一個檢測電極電聯接，運放電路的正向輸入端與所述溫度補償裝置芯片的一個檢測電極電聯接，數模轉換器與上述諧振式傳感器芯片的引出端電極電聯接。3.根據權利要求2所述的一種巨壓阻雙諧振質量傳感器，其特征是，所述運放電路是差模輸入的運放電路，所述濾波電路是帶通濾波電路，所述模數轉換器是16位的ADS8319模數轉換器，所述DC/DC隔離器是型號為ADUM5000的DC/DC隔離器、所述微處理器是三星的S3C2410微處理器、所述液晶顯示器是2.8寸TFTIXD液晶顯示器、所述數模轉換器是16位的DAC8531數模轉換器，所述線性電源是LDO線性電源。4.根據權利要求1所述的一種巨壓阻雙諧振質量傳感器，其特征是，所述單晶硅納米諧振薄膜呈方形，所述激勵電極與單晶硅納米諧振薄膜對應的四個邊呈等距分布。5.根據權利要求1所述的一種巨壓阻雙諧振質量傳感器，其特征是，所述單晶硅納米諧振薄膜表面用等離子體Ba和Hf進行工藝修飾。6.根據權利要求1所述的一種巨壓阻雙諧振質量傳感器，其特征是，所述溫度補償裝置芯片的尺寸與材料與諧振傳感器芯片一致。7.根據權利要求1所述的一種巨壓阻雙諧振質量傳感器，其特征是，所述兩個諧振式傳感器芯片的兩個單晶硅納米諧振薄膜之間通過兩根細納米桿實現頻率耦合，諧振薄膜的四個角沿著T型納米桿進行擴展與壓縮運動。
【文檔編號】B82Y40/00GK205537876SQ201620286423
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月7日
【發明人】張加宏, 潘周光, 葛益嫻, 李敏, 孫林峰
【申請人】南京信息工程大學