專利名稱：一種傳感器及其調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種傳感器及其調(diào)節(jié)方法。
背景技術(shù)：
傳感器技術(shù)是測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)、微 電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機械、仿生學(xué)、材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的 綜合性高新技技術(shù)之一，而傳感器是準(zhǔn)確獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中可靠信息的 主要途徑與手,殳。
隨著科技的發(fā)展，需要采集處理的信號強度越來越微弱，有的已經(jīng)達到 納米級、易被噪聲淹沒、不易檢測等特點，必然要求傳感器的尺寸也越來越 小，因此，出現(xiàn)了多種微機械傳感器。所述的微機械傳感器是采用微機電和 微機械加工技術(shù)制造出來的新型微型傳感器，與傳統(tǒng)的傳感器相比，使得它 在微米、納米量級特征的尺寸可以完成傳統(tǒng)傳感器所不能完成的功能。
目前，微型傳感器主要是利用MEMS (微機電系統(tǒng))技術(shù)把傳感器加工 成微型懸臂梁或微型橋結(jié)構(gòu)，如硅微機械懸臂梁是一種靈敏度極高的器件， 可探測到10- 5N/ m的表面應(yīng)力和納克的質(zhì)量變化，近年來在傳感器領(lǐng)域受 到很大的關(guān)注。所述的微型懸臂梁、微型橋結(jié)構(gòu)是在微型橋和襯底間形成一 個電容，當(dāng)負載沿垂直方向作用時，極板間距減小，電容量增加，其變化可 用適當(dāng)電路檢測并轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。
一般，微懸臂梁、微橋的結(jié)構(gòu)尺寸在微米量級甚至是納米量級，檢測電 容的中心電容量很小，通常在pF量級，產(chǎn)生的電容變化量甚至在aF量級以下，如此小的電容變化量必須經(jīng)信號放大裝置放大后，才能連接到電壓中間 轉(zhuǎn)換器，如圖1所示，把電容信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，最后連接到讀出電路 上。
讀出電路根據(jù)電壓中間轉(zhuǎn)換器輸出信號的特點，包含積分放大、采樣保
持、輸出緩沖、多路傳輸、A/D轉(zhuǎn)換，如圖2所示。
采用這種方案設(shè)計的微機械傳感器可以較為準(zhǔn)確的測量微弱信號，但由 于各種傳感器輸出的信號截然不同，因此，對于每一種傳感器，都需要一套 信號處理專用電路，造成后端電路難以標(biāo)準(zhǔn)化。
由此可見，傳感器和后端處理電路之間的接口部分一直是阻礙傳感器實 用化發(fā)展的"瓶頸"。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提供了一種傳感器及其調(diào)節(jié)方法，可以有效解決傳感器和 后端處理電路之間的接口問題，并簡化了傳感器系統(tǒng)電路。 本發(fā)明實施例是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種傳感器，包括微型懸臂梁或微型橋和金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管， 所述的微型懸臂梁或微型橋搭建在所述的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管上，微型 懸臂梁或微型橋與所述的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管之間構(gòu)成檢測電容，檢測 電容的輸出信號直接通過金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管輸出電信號。
所述的微型懸臂梁或微型橋包括0.5 ja m膜厚度。
一種傳感器的調(diào)節(jié)裝置，包括多晶硅浮柵層，所述的多晶硅浮柵層設(shè) 于微型懸臂梁或微型橋內(nèi)部，且所述的多晶硅浮柵層與微型懸臂梁或微型橋 間設(shè)有絕緣層。
所述的多晶硅浮柵層可以接收第一次注射電荷，并將第一次注射電荷儲 存在多晶硅浮柵層，作為多晶硅浮柵層的原始注射電荷量，用以設(shè)置傳感器的閾值電壓的初始值。
所述的多晶硅浮柵層可以接收后續(xù)的注射電荷，并通過調(diào)節(jié)注射電荷的 數(shù)量來調(diào)節(jié)傳感器的閾值電壓。
所述的傳感器的調(diào)節(jié)裝置還包括多晶硅浮柵層封裝殼，用于封裝多晶硅 浮柵層。
所述的封裝殼上設(shè)置有可以透光的小窗口 ，用以接收包括紫外線的照射。
所述的紫外線可以擦除多晶硅浮柵層上后續(xù)的注射電荷，用以將多晶硅 浮柵層上的電荷恢復(fù)到原始注射電荷量，從而恢復(fù)傳感器的閾值電壓的初始值。
一種傳感器的調(diào)節(jié)方法，包括
在傳感器的微型懸臂梁或微型橋中內(nèi)置多晶硅浮柵層，在所述的多晶硅 浮柵層上第一次注射電荷，所述的電荷可以儲存在多晶硅浮柵層，作為多晶 硅浮柵層的原始注射電荷量，從而可以設(shè)置傳感器的閾值電壓的初始值；
在所述的多晶硅浮柵層中每增加一次注射電荷，可以使傳感器的閾值電 壓相應(yīng)減??；
在所述的多晶硅浮柵層上通過包括紫外線照射的方法，使多晶硅浮柵層 中的電荷量恢復(fù)到第一次注射電荷的原始電荷量，從而可以恢復(fù)傳感器的閾 寸直電壓初始Y直。
由上述本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的實施例采用微 型懸臂梁(或微型橋)直接搭建在MOS管上和調(diào)節(jié)微型懸臂梁或微型橋的結(jié) 構(gòu)，使得本發(fā)明實施例的實現(xiàn)可以把傳感器信號直接轉(zhuǎn)換微電學(xué)信號。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)提供的連接讀出電路的微懸臂梁或微橋連接原理圖；圖2為現(xiàn)為現(xiàn)有技術(shù)提供的陣列壓力傳感器處理框圖； 圖3為本發(fā)明實施例提供的在MOS管上構(gòu)建微型懸臂梁或微型橋的傳感 器結(jié)構(gòu)簡圖4為本發(fā)明實施例提供的在MOS管上構(gòu)建微型懸臂梁或微型橋的制造 工藝流程圖5為本發(fā)明實施例提供的實現(xiàn)閾值電壓可調(diào)的微型懸臂梁或微型橋結(jié)構(gòu) 簡圖6本發(fā)明實施例提供的3次紫外線擦除編程循環(huán)結(jié)果比較示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明實施例提供了一種傳感器，如圖3所示，所述的傳感器包括微型 懸臂梁(或微型橋)和金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(MOS管)，其中，所述的 微型懸臂梁(或微型橋)搭建在MOS管上，從而可以在微型懸臂梁(或微型 橋)和MOS管之間形成一個模擬檢測電容，因此，微型懸臂梁(或微型橋) 的變化都可以？ 1起模擬檢測電容的電容量的變化，所述的電容變化可以通過 MOS管直接輸出電流信號的變化，用以反應(yīng)微型懸臂梁、微型橋的變化情 況。
由此可見，當(dāng)所述的傳感器需要采集的信號發(fā)生微小的變化時，如微型 懸臂梁(或微型橋)表面受到壓力、加速度等物理量作用時，都會導(dǎo)致微型 懸臂梁(或微型橋)的變化，而微型懸臂梁(或微型橋)的變化可以導(dǎo)致模 擬檢測電容的電容量的變化，而模擬檢測電容的電容量的變化可以通過MOS 管直接轉(zhuǎn)變成電流的變化。因此，本發(fā)明實施例提供的傳感器可以將傳感器 信號直接轉(zhuǎn)換微電學(xué)信號，從而有效的解決了傳感器和后端處理電路之間接 口問題，并簡化了傳感器系統(tǒng)電路。MOS管的芯片上采用犧牲層的方構(gòu)建微型懸臂梁或微型橋，所述的構(gòu)建微型 懸臂梁或微型橋的具體實現(xiàn)工藝如圖4所示。
第一步，濺射后繼的二氧化硅犧牲層圖形，在犧牲層上濺射淀積多晶硅 的結(jié)構(gòu)層。第二步，在氫氟酸中刻蝕犧牲層。最后一步是從氫氟酸中取出器 件、漂洗、烘干。
其中，在具體構(gòu)建微型懸臂梁或微型橋中，采用的是雙阱、兩層多晶 硅、兩層金屬線(CMOS)技術(shù)，具體包括
首先，使用第一層多晶硅(poly0)構(gòu)建微型懸臂梁或微型橋，這一層使 用CNM標(biāo)準(zhǔn)CMOS加工作為模擬檢測電容的底層，因此，可以不改變晶體管 特征值對它進行略微的更改。
其次，通過對不同厚度微型懸臂梁或微型橋零漂隨膜厚度變化進行試驗 測試，試驗結(jié)果證明，當(dāng)膜厚度為0.5 n m時，不同厚度的微型懸臂梁或微型橋 零漂接近于零，因此，可以設(shè)計poly0層的厚度約為500nm,沉積溫度減少到
580°C,在950。C摻雜^GC、使底層有13.8。"《的表面電阻，表面粗糙度 從15nm減少到7nm。在生長柵氧化層時，第一層被氧化，并被第二層多晶硅 (poly1)覆蓋，用以保護第一層。
最后，在氧化層上加上掩膜，在平臺區(qū)域頂端加上金屬層。掩膜界定 后，通過干刻蝕法把圖案影印到polyO層上。最后在BHF(氫氟酸)中降壓，
用于刻蝕底層1 n m厚的。
本發(fā)明實施例還提供了一種傳感器的調(diào)節(jié)裝置，應(yīng)用于本發(fā)明實施例提 供的傳感器，如圖5所示，所述的裝置包括多晶硅浮柵層，該多晶硅浮柵層 設(shè)置于微型懸臂梁或微型橋內(nèi)部，且與微型懸臂梁或微型橋間設(shè)有絕緣層。
所述的多晶硅浮柵層可以接收離子注入發(fā)射的第一次注入電荷，并將該 第一次注入電荷儲存在多晶硅浮柵層，作為多晶硅浮柵層的原始注入電荷 量，使浮柵結(jié)構(gòu)具有一定的電荷耦合能力，存儲有一定的電荷，用以設(shè)置傳感器的閾值電壓的初始值。所述的多晶硅浮柵層還可以接收后續(xù)的注射電 荷，并通過調(diào)節(jié)注入電荷的數(shù)量來調(diào)節(jié)傳感器的閾值電壓。
所述的裝置還包括多晶硅浮柵層封裝殼，并在所述的封裝殼上設(shè)置有可 以透光的小窗口，用以接收包括紫外線的照射。所述的紫外線可以擦除多晶 硅浮柵層上后續(xù)的注射電荷，用以將多晶硅浮柵層上的電荷恢復(fù)到原始注射 電荷量，從而恢復(fù)傳感器的閾值電壓的初始值。
由此可見，當(dāng)微型懸臂梁或微型橋由于重力的作用發(fā)生形變時，通過微
型懸臂梁或微型橋與MOS管之間的檢測電容產(chǎn)生一個電壓，此電壓也會通過 MOS管輸出電流，從而影響傳感器獲取信號的準(zhǔn)確性，因此可以通過在微型 懸臂梁或微型橋中內(nèi)置一多晶硅浮柵層，并在多晶硅浮柵層上注射電荷，產(chǎn) 生一個浮柵電壓，通過調(diào)節(jié)注射電荷的數(shù)量來調(diào)節(jié)浮柵電壓，從而可以調(diào)節(jié) 傳感器的閾值電壓，因此，可以補償由于微型懸臂梁或微型橋的形變引起的 電壓變化，同時，也提高了傳感器的靈敏度。
本發(fā)明實施例還提供了一種傳感器的調(diào)節(jié)方法，應(yīng)用于本發(fā)明實施例提 供的傳感器，通過在微型懸臂梁或微型橋的內(nèi)部設(shè)置一多晶硅浮柵層，通過 調(diào)節(jié)多晶硅浮柵層上的注射電荷，使傳感器的閾值電壓可調(diào)，從而使傳感器
閾值電壓具有可編程和可刪除的功能。
一般，傳感器的微型懸臂梁有兩個重要參數(shù)(1)彈簧系數(shù)、(2)
基波的振動頻率A，所述的振動頻率A可以通過共振結(jié)構(gòu)的尺寸和材料的機 械性能計算。質(zhì)量密度^)其中， 彈簧系數(shù)A可以表示為
<formula>formula see original document page 9</formula>
質(zhì)量彈簧模型可以近似的表示微型懸臂梁中心的位移。 共振頻率可以表示為<formula>formula see original document page 10</formula>
"，Z和^分別是底層振蕩微型懸臂梁的寬度、長度和厚度，￡為楊氏模 量，"V是微型懸臂梁的有效質(zhì)量，即 廣0,24/^,^、 P為質(zhì)量密度。
當(dāng)一個質(zhì)量放置到懸臂上，懸臂的振動頻率將會改變，假定一層多晶硅 微型懸臂梁(五=150G尸"和P = 2330紐/w3 )。 由公式(1 ) 、(2)得 ，三0.9/3,
<formula>formula see original document page 10</formula> (3)
由此可見，微型懸臂梁的靈敏度與懸臂梁的厚度成反比，與懸臂梁長度 成正比，若要提高微型懸臂梁的靈敏度，應(yīng)增大微型懸臂梁的長度、減小微 型懸臂梁的厚度。但是由于重力作用，當(dāng)懸臂梁的長度增加到一定范圍、厚 度減小到一定范圍，懸臂梁產(chǎn)生形變，這一形變很難控制，將會影響傳感器 的測量結(jié)果。
同樣，微型橋的性能也由兩個重要參數(shù)決定當(dāng)">^時，
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因此，通過增大微型橋的長度、減小微型橋的厚度，可以提高器件的靈 敏度，但是微型橋的長度增加到一定范圍、厚度減小到一定范圍內(nèi)，微型橋 也會產(chǎn)生形變以致影響傳感器的測量結(jié)果。
由于微型懸臂梁、微型橋的重力作用會造成微型懸臂梁、微型橋的形
變，從而會引起微型懸臂梁、微型橋與MOS管之間的檢測電容的變化，監(jiān)測 電容的變化造成在微型懸臂梁、微型橋與MOS管之間的電壓變化，最終，會 影響傳感器的靈敏度。
為了有效解決這一問題，使微型懸臂梁、微型橋的形變可以受到控制，本發(fā)明實施例提供的方法可以有效補償由于重力作用引起的微型懸臂梁、微 型橋的形變而造成的電壓變化。具體實施方案仍參考圖5所示。
在微型懸臂梁或微型橋中內(nèi)置一多晶硅浮柵層，且所述的多晶硅浮柵層 與微型懸臂梁或微型橋間設(shè)有絕緣層，所述的絕緣層可以包括二氧化硅，用 以保護多晶硅浮柵層免受外力影響。其中，
所述的多晶硅浮柵層用以接收離子注入的第 一次注入電荷，并將該注入 電荷儲存在多晶硅浮柵層，所述的第一次注入電荷可以設(shè)置為多晶硅浮柵層 的原始電荷量，使浮柵結(jié)構(gòu)具有一定的電荷耦合能力，存儲有一定的電荷， 因此，可以設(shè)置傳感器的閾值電壓的初始值，所述的傳感器的闊值電壓初始 值可以通過浮柵上的電荷進行調(diào)控，而不僅僅依賴于懸臂梁本身的撓度和楊 氏模量等參數(shù)，并且當(dāng)懸臂梁釋放時，由于梁本身的應(yīng)力作用，會使梁發(fā)生 彎曲，從而改變了閾值電壓的變化，通過本發(fā)明的方法，可以通過注入電荷 多少的改變，調(diào)整由于應(yīng)力帶來的閾值電壓的改變。
所述的浮柵電壓可以通過注射電荷的數(shù)量變化進行調(diào)節(jié)，如每注射一次 電荷，使得多晶硅浮柵層的注射電荷增加，由此，浮柵電壓也相應(yīng)增加，傳 感器的閾值電壓相應(yīng)減小，因此，可以通過調(diào)節(jié)傳感器的閾值電壓而調(diào)節(jié)微
型懸臂梁或微型橋的形變；
所述的傳感器的閾值電壓可以通過紫外線擦除方法進行恢復(fù)，如圖6所示 的通過3次紫外線擦除編程循環(huán)結(jié)果比較示意圖，每次注射電荷后，由于， 多晶硅浮柵層中的電荷量的增加，導(dǎo)致浮柵電壓的相應(yīng)增加，從而使傳感器 的閾值電壓相應(yīng)減小，但是，經(jīng)過紫外線擦除后，可以將多晶硅浮柵層中的 電荷量恢復(fù)到第 一 次注射時的原始注射電荷數(shù)量，從而可以將傳感器的闊值 電壓恢復(fù)為原來的值。
由此可見，本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案采用在微型懸臂梁或微型橋的 中內(nèi)置一多晶硅浮柵層，通過注射電荷的方法實現(xiàn)傳感器的閾值電壓可調(diào)，從而使傳感器閾值電壓具有可編程和可刪除的功能，從而也可以補償由于重 力作用引起的微型懸臂梁、微型橋的形變而造成的電壓變化，提高了傳感器 的靈敏度。
本發(fā)明實施例提供的傳感器可以采用在微型懸臂梁、微型橋的一個表面 涂鍍特殊的生化敏感層，當(dāng)被測物質(zhì)經(jīng)擴散進入生化敏感層，在懸臂梁、橋表 面發(fā)生物理吸附或化學(xué)吸附，引起懸臂梁、橋質(zhì)量發(fā)生變化時,懸臂梁的響應(yīng) 頻率將產(chǎn)生頻移或使懸臂梁產(chǎn)生表面應(yīng)力，懸臂梁表面應(yīng)力的改變將使其彎 曲，從而可以制成微型生化傳感器，以便準(zhǔn)確獲取包括生物、化學(xué)、物理等 信號。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可 輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明 的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種傳感器，包括微型懸臂梁或微型橋，其特征在于，還包括金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，所述的微型懸臂梁或微型橋搭建在所述的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管上，微型懸臂梁或微型橋與所述的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管之間構(gòu)成檢測電容，檢測電容的輸出信號直接通過金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管輸出電信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述的微型懸臂梁或微 型橋包括0.5pm膜厚度。
3、 一種傳感器的調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，包括多晶硅浮柵層，所述的 多晶硅浮柵層設(shè)于微型懸臂梁或微型橋內(nèi)部，且所述的多晶硅浮柵層與微型 懸臂梁或微型橋間設(shè)有絕緣層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述的多晶硅浮柵層可以 接收第一次注射電荷，并將第一次注射電荷儲存在多晶硅浮柵層，作為多晶 硅浮柵層的原始注射電荷量，用以設(shè)置傳感器的閾值電壓的初始值。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于，所述的多晶硅浮柵層 可以接收后續(xù)的注射電荷，并通過調(diào)節(jié)注射電荷的數(shù)量來調(diào)節(jié)傳感器的閾值 電壓。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述的傳感器的調(diào)節(jié)裝置 還包括多晶硅浮柵層封裝殼，用于封裝多晶硅浮柵層。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的封裝殼上設(shè)置有可 以透光的小窗口，用以接收包括紫外線的照射。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述的紫外線可以擦除多 晶硅浮柵層上后續(xù)的注射電荷，用以將多晶硅浮柵層上的電荷恢復(fù)到原始注 射電荷量，從而恢復(fù)傳感器的閾值電壓的初始值。
9、 一種傳感器的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，包括在傳感器的微型懸臂梁或微型橋中內(nèi)置多晶硅浮柵層，在所述的多晶硅 浮柵層上第一次注射電荷，所述的電荷可以儲存在多晶硅浮柵層，作為多晶 硅浮柵層的原始注射電荷量，從而可以設(shè)置傳感器的闊值電壓的初始值；在所述的多晶硅浮柵層中每增加一次注射電荷，可以使傳感器的閾值電 壓相應(yīng)減小；在所述的多晶硅浮柵層上通過包括紫外線照射的方法，使多晶硅浮柵層 中的電荷量恢復(fù)到第 一 次注射電荷的原始電荷量，從而可以恢復(fù)傳感器的閾 <直電壓初始{直。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種傳感器及其調(diào)節(jié)方法，所述的傳感器包括微型懸臂梁(或微型橋)和MOS管，其中，所述的微型懸臂梁(或微型橋)搭建在MOS管上，在微型懸臂梁(或微型橋)和MOS管之間形成檢測電容；所述的傳感器調(diào)節(jié)方法通過在微型懸臂梁或微型橋內(nèi)置浮動多晶硅層，所述的浮動多晶硅層用以接收注入電荷，使浮柵電壓具有傳感器電耦比和注射電荷功能。因此，本發(fā)明的實現(xiàn)可以使微型懸臂梁、微型橋的變化情況通過電容傳遞MOS管，直接以輸出電流信號的變化情況反應(yīng)微型懸臂梁、微型橋的變化情況；同時，可以通過注射電荷的數(shù)量調(diào)節(jié)傳感器的閾值電壓，提高傳感器的靈敏度。
文檔編號G01D5/12GK101303239SQ200710099060
公開日2008年11月12日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月10日
發(fā)明者姜巖峰 申請人:北方工業(yè)大學(xué)