專(zhuān)利名稱(chēng)：一種低溫度交叉靈敏度的微懸臂梁諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫度交叉靈敏度的微懸臂梁諧振器，特別是一種利用不同半導(dǎo)體材料楊氏模量和密度的溫度系數(shù)的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振頻率的溫度自補(bǔ)償?shù)膽冶哿褐C振器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳感器是測(cè)試儀表及檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的傳感器通過(guò)改變電阻、電容或電感等電學(xué)量來(lái)測(cè)量壓力、溫度、位移等非電量，并以電壓和電流信號(hào)輸出。在傳感器和控制電路之間需要增加A/D轉(zhuǎn)換器，這不僅降低了系統(tǒng)的可靠性、響應(yīng)速度和測(cè)量精度，而且增加了成本。諧振式傳感器的輸出量是頻率信號(hào)，精度及分辨率高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，可通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的接口，從而省去結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴的A/D轉(zhuǎn)換裝置。發(fā)展諧振式傳感器，適應(yīng)以微處理器為中心的數(shù)字控制系統(tǒng)是傳感器發(fā)展的重要方向之一。但是，現(xiàn)已實(shí)用的諧振式傳感器(如諧振筒、諧振梁、諧振膜、諧振彎管)結(jié)構(gòu)尺寸較大，構(gòu)造復(fù)雜，價(jià)格昂貴，諧振頻率和靈敏度低。隨著微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展及在傳感器中的應(yīng)用，用微機(jī)械加工技術(shù)制造出的硅微機(jī)械諧振式傳感器，引起了人們的特別興趣。微機(jī)械諧振式傳感器的敏感元件是用微電子和微機(jī)械工藝制作的微懸臂梁、微橋(雙端固支梁)、方膜(或圓膜)等諧振子，利用其諧振頻率、幅值或相位等作為敏感被測(cè)量的參數(shù)，可用來(lái)測(cè)量壓力、真空度、角速度、加速度、流量、溫度、濕度和氣體成分等物理量。諧振器的激勵(lì)方式有電磁激勵(lì)、靜電激勵(lì)、逆壓電激勵(lì)、電熱激勵(lì)、光熱激勵(lì)等，其檢測(cè)方式(即拾振方式)有壓電拾振、壓敏電阻拾振、電磁拾振、電容拾振、光學(xué)拾振等。
懸臂梁諧振器一端固定，另一端自由，自由端可釋放器件制作時(shí)在梁中形成的殘余應(yīng)力，諧振頻率不受封裝應(yīng)力的影響。懸臂梁諧振器的形狀有直條形、變截面直條形、U形梁、三角梁、音叉梁等，已在原子力顯微鏡(AFM)探針(輕敲模式和非接觸模式)、微機(jī)械電子濾波器、振蕩器、生化傳感器等器件上得到廣泛應(yīng)用。
基于微懸臂梁的諧振式傳感器是目前傳感器領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。但是環(huán)境溫度變化對(duì)諧振頻率的交叉靈敏度比較大，阻礙了微懸臂梁諧振式傳感器向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。例如，單晶硅懸臂梁的諧振頻率的溫度系數(shù)為-21ppm/℃～-45ppm/℃，多晶硅懸臂梁的諧振頻率的溫度系數(shù)為-36ppm/℃。這么大的溫度系數(shù)相對(duì)其較低的靈敏度來(lái)說(shuō)顯然是太大了。例如利用MFI分子篩檢測(cè)氟里昂氣體的靈敏度為-0.0024％/ppm，如該諧振器的諧振頻率的溫度系數(shù)在-21ppm/K，則環(huán)境溫度升高10℃引起諧振頻率的相對(duì)變化為-0.021％，相當(dāng)于8.75ppm氟里昂氣體引起的諧振頻率的變化，大大超出了所能接受的極限誤差。
為了減小溫度對(duì)微懸臂梁諧振頻率帶來(lái)的誤差，可采用參比懸臂梁來(lái)抑制干擾信號(hào)。但是，參比懸臂梁的引入需要為其建立獨(dú)立的閉環(huán)回路，也大大增加了芯片結(jié)構(gòu)、封裝和檢測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。另外，僅依賴(lài)于參比梁來(lái)抑制環(huán)境溫度影響并不能完全滿(mǎn)足高精度測(cè)量的要求。因此，有必要采取適當(dāng)措施減小諧振頻率的溫度系數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的制作一種低溫度交叉靈敏度的微懸臂梁諧振器。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是諧振器采用二氧化硅/硅或二氧化硅/氮化硅雙層結(jié)構(gòu)。由于二氧化硅的楊氏模量為正值，硅和氮化硅的楊氏模量的溫度系數(shù)為負(fù)值，因而通過(guò)合理選擇組成梁的多層材料的厚度比可使懸臂梁的諧振頻率的溫度系數(shù)實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償，從而降低到較低的水平。
本發(fā)明所涉及的懸臂梁諧振器可實(shí)現(xiàn)諧振頻率溫度自補(bǔ)償?shù)脑響冶哿旱闹C振頻率與梁的長(zhǎng)度和組成梁的多層材料的楊氏模量、密度和厚度有關(guān)，因而懸臂梁諧振頻率的溫度系數(shù)與組成梁的多層材料的厚度、熱膨脹系數(shù)和楊氏模量及密度的溫度系數(shù)有關(guān)。通過(guò)理論計(jì)算懸臂梁諧振頻率的溫度系數(shù)并令其為零可得到組成懸臂梁的多層材料的最優(yōu)厚度比。多層材料按該比例組成的懸臂梁應(yīng)具有比較低的諧振頻率溫度系數(shù)。
按照以上補(bǔ)償原理，對(duì)半導(dǎo)體工藝中常用的材料進(jìn)行優(yōu)選，采用二氧化硅/硅或二氧化硅/氮化硅雙層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)懸臂梁諧振頻率的溫度自補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)具體的激勵(lì)或檢測(cè)手段，可以在梁上制作激勵(lì)/檢測(cè)元件，如反光層、金屬連線(xiàn)、電極、電阻等。但是，如果這些作為激勵(lì)/檢測(cè)元件的輔助層材料的寬度與梁寬度可比擬(如反光層)，則其厚度應(yīng)遠(yuǎn)小于梁的總厚度；如果輔助層厚度比較大(如金屬連線(xiàn))，則其寬度應(yīng)遠(yuǎn)小于梁的寬度。
經(jīng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明(1)可將諧振頻率的溫度系數(shù)降低到較低的水平的硅/二氧化硅雙層懸臂梁的硅層和二氧化硅薄膜的最優(yōu)厚度比是1.1～1.7。(2)可將諧振頻率的溫度系數(shù)降低到較低的水平的二氧化硅/氮化硅雙層懸臂梁的二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的最優(yōu)厚度比是0.9～1.2，其中的二氧化硅由熱氧化法生長(zhǎng)，氮化硅由低壓化學(xué)氣相淀積法(LPCVD)制作。
本發(fā)明所涉及的低溫度交叉靈敏度的微懸臂梁諧振器具有以下優(yōu)點(diǎn)溫度補(bǔ)償方法簡(jiǎn)便易行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，不需要引入額外的溫度傳感器、參比懸臂梁和補(bǔ)償電路。


附圖1為本發(fā)明所涉及的低溫度交叉靈敏度的微懸臂梁諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中[a]為二氧化硅/硅梁，[b]為二氧化硅/氮化硅梁。應(yīng)該說(shuō)明的是諧振器的激勵(lì)方式有電磁激勵(lì)、靜電激勵(lì)、逆壓電激勵(lì)、電熱激勵(lì)、光熱激勵(lì)等，其檢測(cè)方式(即拾振方式)有壓電拾振、壓敏電阻拾振、電磁拾振、電容拾振、光學(xué)拾振等。不同的激勵(lì)/檢測(cè)方式的諧振器具有不同的結(jié)構(gòu)，圖1[a]和[b]示意的僅是用于光熱激勵(lì)/光學(xué)拾振方法的懸臂梁諧振器。對(duì)其他激勵(lì)/檢測(cè)手段應(yīng)在梁上有相應(yīng)的激勵(lì)/檢測(cè)元件。例如，圖1[c]是電熱激勵(lì)/壓阻檢測(cè)的微懸臂梁諧振器，在梁端部有激勵(lì)電阻激振，在根部有檢測(cè)電阻拾振。
附圖2是作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光熱激勵(lì)/光信號(hào)檢測(cè)的硅/二氧化硅懸臂梁諧振器的制作工藝流程。
附圖3是作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光熱激勵(lì)/光信號(hào)檢測(cè)的二氧化硅/氮化硅懸臂梁諧振器的制作工藝流程。
附圖中1—襯底材料 2—二氧化硅埋層3—組成梁的二氧化硅層4—硅層 5—氮化硅層6—激勵(lì)電阻7—拾振電阻 8—成型槽 9—背面窗口10—反光層具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但并不局限于該實(shí)施例。
實(shí)施例1本實(shí)施例是制作一種光熱激勵(lì)/光信號(hào)檢測(cè)的硅/二氧化硅懸臂梁諧振器。其中，硅層[4]厚度為1.3微米，二氧化硅層[3]厚度1微米，其結(jié)構(gòu)如附圖1(a)所示。其制作工藝流程如下(見(jiàn)附圖2)(1)原始硅片為400微米厚的{100}面雙面拋光SOI硅片。如果其二氧化硅埋層[2]厚度為t微米，則硅層[4]厚度應(yīng)為(1.8+0.45t)微米。(見(jiàn)圖2.[1])(2)熱氧化，氧化層[3]厚度為(1+t)微米。(見(jiàn)圖2.[2])(3)正面光刻懸臂梁圖形，緩釋氫氟酸(BOE)腐蝕梁周?chē)某尚筒踇8]中的二氧化硅掩膜。(見(jiàn)圖2.[3])(4)各向異性腐蝕液腐蝕梁周?chē)某尚筒踇8]中的硅，直到暴露出二氧化硅埋層[2]為止。(見(jiàn)圖2.[4])(5)背面光刻，形成背腐蝕窗口[9]。(見(jiàn)圖2.[5])(6)采用25％的四甲基氫氧化胺(TMAH)腐蝕液腐蝕背面窗口[9]的硅，直到暴露出二氧化硅埋層[2]為止。(見(jiàn)圖2.[6])(7)緩釋氫氟酸(BOE)腐蝕SOI硅片的二氧化硅埋層[2]，同時(shí)懸臂梁正面的二氧化硅層[3]厚度也會(huì)減小。控制腐蝕時(shí)間當(dāng)二氧化硅埋層[2]剛好完全去除后停止腐蝕，這時(shí)梁正面的二氧化硅層[3]厚度剛好為1微米。(見(jiàn)圖2.[7])(8)淀積金膜作為反光層[10]，厚度30納米。(見(jiàn)圖2.[8])實(shí)施例2本實(shí)施例是一種光熱激勵(lì)/光信號(hào)檢測(cè)的二氧化硅/氮化硅懸臂梁諧振器。其結(jié)構(gòu)如附圖1(b)所示。其制作工藝流程如下(見(jiàn)附圖3)(1)原始硅片為{100}面普通硅片[1]。(見(jiàn)圖3.[1])(2)熱氧化。(見(jiàn)圖3.[2])(3)背面光刻膠保護(hù)，正面光刻懸臂梁圖形，緩釋氫氟酸(BOE)腐蝕梁周?chē)某尚筒踇8]中的二氧化硅。(見(jiàn)圖3.[3])(4)LPCVD法淀積氮化硅薄膜[5]，厚度為二氧化硅層[3]厚度的0.9～1.2倍。背面光刻膠保護(hù)，采用同一掩膜版正面光刻懸臂梁圖形，腐蝕去梁周?chē)某尚筒踇8]中的氮化硅薄膜[5]。(見(jiàn)圖3.[4])(5)背面光刻，緩釋氫氟酸(BOE)腐蝕窗口[9]的二氧化硅。(見(jiàn)圖3.[5])(6)采用25％的四甲基氫氧化胺(TMAH)腐蝕液腐蝕背面窗口[9]的硅，直到腐蝕穿后梁得到釋放為止。(見(jiàn)圖3.[6])(7)淀積金膜作為反光層[10]，厚度30納米。(見(jiàn)圖3.[7])
權(quán)利要求
1.一種低溫度交叉靈敏度的微懸臂梁諧振器，采用二氧化硅/硅或二氧化硅/氮化硅雙層結(jié)構(gòu)。其特征在于二氧化硅/硅雙層結(jié)構(gòu)微懸臂梁諧振器的硅層和二氧化硅層的最優(yōu)厚度比是1.1～1.7。二氧化硅/氮化硅雙層結(jié)構(gòu)微懸臂梁諧振器的二氧化硅層和氮化硅層的最優(yōu)厚度比是0.9～1.2。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述低溫度交叉靈敏度的微懸臂梁諧振器。其特征在于其中的二氧化硅由熱氧化法生長(zhǎng)，氮化硅由低壓化學(xué)氣相淀積法(LPCVD)制作。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述二氧化硅/硅或二氧化硅/氮化硅雙層結(jié)構(gòu)的低溫度交叉靈敏度的微懸臂梁諧振器的激勵(lì)方式可以為電磁激勵(lì)、靜電激勵(lì)、逆壓電激勵(lì)、電熱激勵(lì)和光熱激勵(lì)。其檢測(cè)方式可以為壓電拾振、電容拾振、電磁拾振、光信號(hào)拾振以及壓敏電阻拾振。為了實(shí)現(xiàn)上述具體的激勵(lì)/檢測(cè)手段，可以在梁上制作輔助層，如反光層、金屬連線(xiàn)、電極等激勵(lì)或檢測(cè)元件。但是，如果該輔助層的寬度較大(如反光層)，則其厚度應(yīng)遠(yuǎn)小于梁的總厚度；如果輔助層厚度比較大(如金屬連線(xiàn))，則其寬度應(yīng)遠(yuǎn)小于梁的寬度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有較低諧振頻率溫度系數(shù)的微懸臂梁諧振器。該諧振器采用二氧化硅/硅或二氧化硅/氮化硅雙層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)懸臂梁諧振頻率的溫度自補(bǔ)償。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明硅/二氧化硅雙層懸臂梁諧振器的硅和二氧化硅薄膜最優(yōu)厚度之比是1.1～1.7，二氧化硅/氮化硅雙層懸臂梁諧振器的二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜的最優(yōu)厚度之比是0.9～1.2，其中的二氧化硅由熱氧化法生長(zhǎng)，氮化硅由低壓氣相淀積法(LPCVD)制作。本發(fā)明所公開(kāi)的低溫度交叉靈敏度的微懸臂梁諧振器具有溫度補(bǔ)償方法簡(jiǎn)便易行，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉、不需要引入額外的溫度傳感器、參比懸臂梁和補(bǔ)償電路等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B81B7/00GK101064197SQ20061005051
公開(kāi)日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2006年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月26日
發(fā)明者韓建強(qiáng), 李青, 李昕欣, 王躍林, 韓安太, 孫延偉 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院, 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所