專利名稱：一種硅懸臂梁傳感器及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅懸臂梁傳感器及其制備方法和應(yīng)用，屬于微納 米傳感器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳感器是測(cè)量?jī)x表及檢測(cè)系統(tǒng)中的核心檢測(cè)器件。作為傳感器工 作原理的一種，諧振式傳感器的輸出量是頻率變化信號(hào)，其精度及分 辨率較高，并可通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的頻率接口，從而
省去結(jié)構(gòu)復(fù)雜的A/D轉(zhuǎn)換裝置。近來(lái)，隨著微電子技術(shù)和微機(jī)械加 工技術(shù)的發(fā)展，用微機(jī)械加工技術(shù)制造出的微機(jī)械諧振式傳感器，引 起了人們的特別興趣。諧振式微機(jī)械懸臂梁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作為機(jī)械諧振子，利用其諧振頻率 或相位等作為敏感測(cè)量的參數(shù)，可用來(lái)測(cè)量壓力、真空度、加速度等 物理量。諧振器的驅(qū)動(dòng)方式有電磁驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、逆壓電驅(qū)動(dòng)、電 熱驅(qū)動(dòng)、光熱驅(qū)動(dòng)等，其檢測(cè)方式(即拾振方式)有光學(xué)拾振、壓電 拾振、壓敏電阻拾振等。
懸臂梁諧振器一端固定，另一端自由。懸臂梁諧振器的形狀有直 條形、變截面直條形、U形、三角形、音叉形等，已在掃描探針顯微 鏡(SPM)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。
作為對(duì)質(zhì)量變化敏感的諧振式微機(jī)械懸臂梁傳感器，由于具有高 分辨率、高靈敏度、快速響應(yīng)和數(shù)字式輸出信號(hào)等特點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、 醫(yī)療診斷等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。該傳感器的核心部件是可以機(jī)械諧振的懸臂梁，配以諧振驅(qū)動(dòng)和 諧振信號(hào)檢測(cè)的方法和裝置。當(dāng)通過(guò)分子特異性吸附將待測(cè)物吸附在 懸臂梁表面時(shí)，懸臂梁等效質(zhì)量的變化使懸臂梁固有諧振頻率發(fā)生變 化，通過(guò)檢測(cè)該諧振頻率的變化量能高精度地定量分析待測(cè)物的含
量。[T. Thundat， E. A. Wachter， S. L. Sharp and R. J. Warmack， Detection of mercury vapor using resonating microcantilevers， Appl. Phys, Lett., 66: 1695(1995)]。該類諧振式懸臂梁傳感器的痕量檢測(cè)以往主要，只能面 對(duì)單個(gè)分子或個(gè)體質(zhì)量較大的生物檢測(cè)，[B. Ilic， D. Czaplewski, M. Zalalutdinov, H. G. Craighead, P. Neuzil， C. Campagnolo, C. Batt， Single cell detection with micromechanical oscillators, J. Vac. Sci. Technol. B， 19 2825(2001)]， [A. Gupta, D. Akin， R. Bashir， Single virus particle mass detection using microresonators with nanoscale thickness Appl. Phys. Lett, 84， 1976(2004)]。由于化學(xué)氣體等相對(duì)小分子的質(zhì)量很小，只在
懸臂梁的表面進(jìn)行單層或少量層數(shù)小分子的特異性吸附，所吸附的很 小質(zhì)量往往很難用諧振方法檢測(cè)到。為增加吸附質(zhì)量到可檢測(cè)的程 度，在懸臂梁上構(gòu)建大比表面結(jié)構(gòu)，用以顯著增加所吸附的小化學(xué)分 子數(shù)目，是一個(gè)十分可行的技術(shù)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于相對(duì)小分子的質(zhì)量額度化學(xué)氣體檢 測(cè)的硅懸臂梁傳感器及其制備方法。
即在硅微機(jī)械懸臂梁靠近自由端進(jìn)行分子吸附的區(qū)域形成大比 表面多孔硅結(jié)構(gòu)的方法和制作方法，及通過(guò)在多孔硅表面修飾特異性 分子鏈提高分子吸附數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)的應(yīng)用。
本發(fā)明的基本原理
硅懸臂梁傳感器的核心部件是可以機(jī)械諧振的懸臂梁，配以諧振驅(qū)動(dòng)和諧振信號(hào)檢測(cè)的方法和裝置。
本發(fā)明主要是通過(guò)在硅微機(jī)械懸臂梁諧振敏感結(jié)構(gòu)末端選擇性 集成制作穿通懸臂梁的多孔硅區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)。在懸臂梁自由端附近通過(guò) 選擇性陽(yáng)極氧化方法在氫氟酸溶液內(nèi)形成多孔硅結(jié)構(gòu)。制作的多孔硅 懸臂梁，以形成對(duì)某種化學(xué)分子的檢測(cè)特異性，對(duì)多孔硅區(qū)域進(jìn)行特 異性分子鏈的自組裝構(gòu)筑。具體表現(xiàn)為利用環(huán)境中多孔硅表面自然形
成的-OH羥基與被修飾硅垸化分子鏈的硅氧頭基的特異性化學(xué)鍵作 用，采用分子自組裝的方法將帶有敏感尾基的敏感分子材料修飾在多 孔硅結(jié)構(gòu)中用來(lái)進(jìn)行敏感檢測(cè)或者將敏感基團(tuán)在分子鏈自組裝后再 修飾到尾基上。將獲得的多孔硅部位修飾了敏感分子鏈的懸臂梁的底 座固定，利用逆壓電效應(yīng)，在交流電壓的激勵(lì)下，壓電驅(qū)動(dòng)器振動(dòng)起 來(lái)，懸臂梁則相對(duì)驅(qū)動(dòng)器振動(dòng)起來(lái)。在驅(qū)動(dòng)頻率從低到高掃描過(guò)程中， 當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率等于微懸臂梁的諧振頻率時(shí)，懸臂梁的振幅將因?yàn)槠焚|(zhì)因
子Q的放大作用而加大，通過(guò)對(duì)諧振峰所在頻率的讀出得到諧振頻 率。其實(shí)可以壓電驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)懸臂梁諧振，同時(shí)用SPM上的激光 束照射在懸臂梁上，通過(guò)光電檢測(cè)器對(duì)懸臂梁金表面反射光運(yùn)動(dòng)的檢 測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振頻率信號(hào)的檢出。在對(duì)化學(xué)(氣體)分子檢測(cè)前測(cè)試 了諧振頻率后，將被測(cè)化學(xué)分子弓I入到懸臂梁附近進(jìn)行特異性結(jié)合。 在有了足夠的時(shí)間， 一般l 5min讓特異性化學(xué)分子吸附完成后，重 新測(cè)量諧振頻率。根據(jù)反應(yīng)后頻率值的下降來(lái)識(shí)別被測(cè)化學(xué)分子。 本發(fā)明的技術(shù)方案 (一)、 一種硅懸臂梁傳感器
一種硅懸臂梁傳感器，包括硅微機(jī)械諧振的懸臂梁(5)，掃描探 針顯微鏡(SPM)設(shè)備內(nèi)置的壓電驅(qū)動(dòng)器(4)即諧振驅(qū)動(dòng)裝置,硅 微機(jī)械諧振的懸臂梁(5)通過(guò)懸臂梁的襯底基座固定在掃描探針顯
8微鏡(SPM)設(shè)備內(nèi)置的壓電驅(qū)動(dòng)器(諧振驅(qū)動(dòng)裝置)(4)上，由諧 振驅(qū)動(dòng)裝置的振動(dòng)形成懸臂梁(5)的諧振，其特征在于在硅微機(jī)械 懸臂梁(5)諧振敏感結(jié)構(gòu)末端選擇性集成制作穿通懸臂梁的孔徑為 100~800nm、孔隙率為20% 60%的多孔硅區(qū)域(6)，多孔硅區(qū)域(6) 上表面自組裝及修飾的敏感材料分子(3)，用來(lái)特異性吸附被檢測(cè)分 子(8);掃描探針顯微鏡(SPM)設(shè)備內(nèi)置的檢測(cè)入射激光束(1) 照射在懸臂梁上表面多孔硅以外區(qū)域的金薄膜(7)上，懸臂梁金表 面反射光(2)反射至掃描探針顯微鏡(SPM)設(shè)備內(nèi)置的光偏轉(zhuǎn)檢 測(cè)器上，完成諧振信號(hào)的檢測(cè)。
(二)、 一種硅懸臂梁傳感器的制備方法 一種硅懸臂梁傳感器的制備方法，包括如下制備步驟
(1)、多孔硅結(jié)構(gòu)的懸臂梁制造； (a)、硅片預(yù)處理
采用n型摻雜的(100〗晶面的雙面拋光SOI(絕緣體 上的硅)硅圓片，頂層硅電阻率在0.01 10Q《m范圍內(nèi)，將 頂層硅用各向異性濕法腐蝕減薄至懸臂梁厚度1 1(Him,兩 面熱氧化形成厚度在50 2000nrn范圍內(nèi)的氧化層，然后雙 面用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)方法制作厚度在100~ 200nm的氮化硅薄膜； (b)、硅片背面刻蝕
將步驟(a)經(jīng)預(yù)處理的硅片兩面涂光刻膠，用光刻膠做 掩模，在背面光刻出可形成懸臂梁區(qū)域的圖形，該圖形尺寸比 最后的懸臂梁區(qū)域要大一些，用來(lái)抵消各向異性腐蝕傾斜角度 帶來(lái)的腐蝕坑底尺寸減小，具體地講，在圖形的每個(gè)方向上，
光刻圖形的尺寸需要大出襯底硅厚度的^倍；其中:i:臂梁區(qū)域的圖形為矩形、變截面矩形、U形、三角 形、音叉形等；
先用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)干法刻開反面的氮化硅層，再 用緩沖氫氟酸(NH4F:HF=7:1)濕法腐蝕掉下面露出的氧化硅， 由此在背面形成腐蝕窗口 ，用濃度為20%~50%的KOH水溶液 或其它硅的各向異性腐蝕液腐蝕掉窗口內(nèi)的硅，直至停止在 SOI硅片的氧化硅掩埋層；去除兩面剩余的光刻膠；
(c) 、多孔硅的形成
采用濺射的方法在硅片背面先形成50 200nm厚度的鈦鎢 合金薄膜，再形成厚度200~600nm的金薄膜，采用與(b)步 驟相同的技術(shù)，在硅片正面光刻出多孔硅區(qū)域圖形結(jié)構(gòu)窗口， 然后在正面形成集成制造多孔硅的暴露硅的窗口，再以該金屬 薄膜為陽(yáng)極，以溶液中與硅片正面相對(duì)且保持距離范圍在 l~10cm的鉑電極為陰極，陰陽(yáng)兩極都浸沒(méi)在混合了無(wú)水乙醇 的氫氟酸水溶液中，無(wú)水乙醇與40%氫氟酸水溶液的體積比例 范圍在1:0.5~4，在基板上通以直流電壓后在該溶液中形成了 循環(huán)電流，控制電流密度為5~300mA/cm2，通過(guò)陽(yáng)極電流的作 用即陽(yáng)極氧化作用，在正面開硅孔的區(qū)域就形成了孔徑為 100 800nrn、孔隙率為20%~60°/。的多孔硅；
(d) 、懸臂梁的微機(jī)械加工 先后采用金的腐蝕液碘在碘化鉀的飽和溶液和鈦鎢的腐蝕液
雙氧水將背面的金屬去除，在硅片正面通過(guò)旋涂光刻膠和光刻工 藝形成覆蓋多孔硅區(qū)域的圖形，采用濺射再次形成鈦鎢/金薄膜， 此次的薄膜厚度為100 300nrn，通過(guò)濕法去除多孔硅區(qū)域的光刻 膠，保留除多孔硅區(qū)域以外懸臂梁上的金屬薄膜，然后再旋涂光刻膠并光刻出懸臂梁的形狀，具體講，懸臂梁長(zhǎng)、寬和厚度的范
圍分別為100~500nm、 40 200nm和1 1(Him。在光刻膠保護(hù)下 先后用腐蝕液去除沒(méi)有光刻膠保護(hù)部分的金和鈦鉤層，再用RIE 干法刻蝕和BHF濕法刻蝕先后去除暴露的氮化硅和氧化硅，采用 RIE干法深刻蝕暴露的硅直至硅片穿透，然后去除懸臂梁正面的 光刻膠，就形成了可以自由振動(dòng)的微機(jī)械硅懸臂梁結(jié)構(gòu)。
(2) 、懸臂梁的形成
將步驟(1)獲得的自由振動(dòng)的微機(jī)械硅懸臂梁結(jié)構(gòu)硅圓片， 經(jīng)劃片后，得到若干個(gè)懸臂梁連同其硅片襯底基座一同待用。
(3) 、多孔硅結(jié)構(gòu)的表面敏感分子鏈的自組裝和修飾
將步驟(2)結(jié)束后，在多孔硅結(jié)構(gòu)表面上自組裝具有硅氧 烷頭基的分子鏈，之后尾基修飾上對(duì)被測(cè)化學(xué)分子有特異性的敏 感分子基團(tuán)；
該自組裝是將懸臂梁浸入溶有硅氧垸頭基的飽和甲苯溶液 中，在室溫下反應(yīng)5 6h后，取出懸臂梁，用無(wú)水乙醇和去離子 水各清洗5min，晾干即可。
該修飾是將自組裝后的懸臂梁浸入六氟異丙酮的飽和水 溶液，在室溫下經(jīng)2 3h完成反應(yīng)后，即在苯環(huán)上修飾了六氟異 丙醇敏感基團(tuán)。取出懸臂梁，用去離子水清洗5min后，晾干待 用。
(4) 、多孔硅結(jié)構(gòu)的懸臂梁與掃描探針顯微鏡(SPM)設(shè)備的連接
將步驟(3)獲得的多孔硅部位修飾了敏感分子鏈的懸臂 梁的底座固定在掃描探針顯微鏡(SPM)設(shè)備上的壓電驅(qū)動(dòng)器上， 可驅(qū)動(dòng)頻率0.1 500kHz，用SPM上的激光束照射在懸臂梁上，通過(guò)SPM上的標(biāo)準(zhǔn)光電檢測(cè)器整體安裝完成即形成了本發(fā)明的 一種可實(shí)現(xiàn)氣體小分子進(jìn)行測(cè)量的硅懸臂梁傳感器，即懸臂梁固 定端可用雙面膠帶固定在驅(qū)動(dòng)器上表面上，利用SPM的操作程 序?qū)⑷肷涔鈱?duì)準(zhǔn)到懸臂梁上表面多孔硅以外的有金薄膜的區(qū)域， 對(duì)懸臂梁金表面反射光運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振頻率信號(hào)的檢 出。
(三)、 一種硅懸臂梁傳感器的應(yīng)用
一種硅懸臂梁傳感器可用于痕量化學(xué)氣體的檢測(cè)，如爆炸物三硝 基甲苯(TNT)、甲基膦酸二甲酯(DMMP)等的檢測(cè)。
本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明由于在硅微機(jī)械諧振懸臂梁自由尾部集成制作多孔硅結(jié) 構(gòu)，利用多孔硅結(jié)構(gòu)的大比表面來(lái)修飾更多敏感分子和特異性俘獲更 多被測(cè)化學(xué)分子來(lái)實(shí)現(xiàn)痕量檢測(cè)。


圖1、懸臂梁上集成了多孔硅區(qū)域以及多孔硅表面自組裝和修飾敏感 分子鏈的示意圖
圖2 、硅微機(jī)械諧振懸臂梁(包括多孔硅部分)的制作工藝流程示意 圖
圖3 、硅微機(jī)械懸臂梁安裝在掃描探針顯微鏡上實(shí)現(xiàn)壓電驅(qū)動(dòng)諧振、 光電諧振頻率檢測(cè)以及利用多孔硅結(jié)構(gòu)表面自組裝修飾的敏感 分子鏈特異性吸附被測(cè)化學(xué)(氣體)分子的原理示意圖。
圖4 、是實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的多孔硅孔隙率與陽(yáng)極氧化電流密度的關(guān)系
圖5、是制得的多孔硅的表面形貌SEM圖像
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)具體實(shí)施的器件為例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn) 和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明并非僅限于所述實(shí)例。
實(shí)施例l
爆炸物三硝基甲苯(TNT)化學(xué)氣體傳感器 本實(shí)施應(yīng)用以通過(guò)檢測(cè)爆炸物三硝基甲苯(TNT)氣體為例，詳 細(xì)說(shuō)明本發(fā)明在化學(xué)氣體檢測(cè)方面的應(yīng)用。
爆炸物三硝基甲苯(TNT)是一種常用的爆炸物，因此是一種危 害性極大的危險(xiǎn)品。有效的檢測(cè)TNT揮發(fā)氣體，將為機(jī)場(chǎng)、車站、 港口、海關(guān)等交通樞紐和重要地點(diǎn)的安檢和反恐提供技術(shù)支持，對(duì)保 障公共安全具有重要意義。
一種30(^mxl00nmx3^im的多孔硅懸臂梁傳感器的制作，見附圖 2，其彎曲模態(tài)的第一諧振頻率在100kHz左右，其具體制備步驟如 下
(a) 、硅片預(yù)處理
采用n型摻雜的(100)晶面的雙面拋光SOI硅圓片，頂層 硅電阻率為0.04-0.15Q《m。以給出的電阻率范圍看，可以獲得 孔隙率約為40%、孔徑在350 500nm范圍內(nèi)的多孔硅。將頂層 硅減薄至懸臂梁厚度即3微米左右。兩面熱氧化形成目標(biāo)厚度為 200nm左右的氧化層，然后雙面用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD) 方法制作目標(biāo)厚度為lOOnm左右的氮化硅薄膜。
(b) 、硅片背面刻蝕
硅片兩面涂厚度目標(biāo)值為1.5微米左右的光刻膠。用光刻膠 做掩模，在背面光刻出可形成懸臂梁區(qū)域的圖形。先用反應(yīng)離子 刻蝕(RIE)干法刻開反面的氮化硅層，再用緩沖氫氟酸濕法腐 蝕掉下面露出的氧化硅，由此在背面形成腐蝕窗口，用KOH水溶液(濃度為40%，溫度為60攝氏度)或其它硅的各向異性腐 蝕液腐蝕掉窗口內(nèi)的硅，直至停止在SOI硅片的氧化硅掩埋層。 去除剩余的光刻膠。
(c) 多孔硅的形成
采用濺射的方法在硅片背面先形成約50nm目標(biāo)厚度值的鈦 鎢合金薄膜，再次濺射形成目標(biāo)厚度為200nm左右的金薄膜。 采用與(b)步驟相同的技術(shù)，在硅片正面光刻出多孔硅區(qū)域圖 形結(jié)構(gòu)窗口，然后在正面形成集成制造多孔硅的暴露硅的窗口。 然后以該金屬薄膜為陽(yáng)極，以溶液中與硅片正面相對(duì)且保持5cm 距離的鉑電極為陰極，陰陽(yáng)兩極都浸沒(méi)在電解槽中，陽(yáng)極氧化腐 蝕液是HF (40%)與無(wú)水C2H5OH的混合液，在室溫(約2(TC) 和恒定直流下進(jìn)行硅的陽(yáng)極氧化腐蝕。此處電解液中的HF是指 含40y。HF的水溶液(下同)。實(shí)驗(yàn)選擇HF溶液與C2H5OH之間 以體積比1:1混合。附圖4是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的多孔硅孔隙率隨電流密 度變化曲線?？梢钥闯觯S電流密度增大，孔隙率上升；當(dāng)電流 密度高于80mA/cn^時(shí)，孔隙率達(dá)到40%。形成的多孔硅經(jīng)過(guò)無(wú)
水C2H50H及稀H202溶液的處理，在空氣中自然干燥。用重量
法稱量可以確定制作多孔硅的孔隙率;用掃描電子顯微鏡(SEM) 可以觀察多孔硅的表面形貌、孔的形狀及孔徑大小。附圖5顯示 了制得多孔硅的上表面SEM圖像，制作中電流密度為 150mA/cm2o
(d) 懸臂梁的微機(jī)械加工
先后采用金的腐蝕液即碘在碘化鉀的飽和溶液和鈦鎢的腐 蝕液(如雙氧水)在室溫下將背面的金屬去除。在硅片正面通過(guò) 旋涂光刻膠和光刻工藝形成覆蓋多孔硅區(qū)域的圖形，采用濺射再次形成鈦鎢/金薄膜。鈦鎢層厚度與上述前次工藝的相同，但此
次的薄膜厚度比前次的更薄一些，為150nm，金表面反射光線能 夠達(dá)到諧振信號(hào)檢測(cè)要求。通過(guò)濕法去除多孔硅區(qū)域的光刻膠， 可以保留除多孔硅區(qū)域以外懸臂梁上的金屬薄膜。然后再旋涂光 刻膠并光刻出懸臂梁的形狀，在光刻膠保護(hù)下先后用腐蝕液去除 沒(méi)有光刻膠保護(hù)部分的金和鈦鉤層。再用RIE干法刻蝕和BHF
濕法刻蝕先后去除暴露的氮化硅牙n氧化硅。采用RIE干法深刻蝕
暴露的硅，就形成了可以自由振動(dòng)的微機(jī)械硅懸臂梁結(jié)構(gòu)。最后 去除懸臂梁正面的光刻膠待用。
該諧振懸臂梁傳感器的多孔硅表面上自組裝和修飾具有不同特 異性敏感基團(tuán)的敏感膜，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同化學(xué)(氣體)分子的選擇性 敏感檢測(cè)。
在該實(shí)施例中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)TNT氣體分子所含硝基和苯環(huán)的特異 性檢測(cè)，在多孔硅部位的表面修飾了有機(jī)線性聚合物分子鏈，分子鏈 的硅氧烷頭基在多孔硅表面與羥基結(jié)合形成了硅氧鍵，就實(shí)現(xiàn)了表面 自組裝。
該自組裝是將懸臂梁浸入溶有硅氧烷頭基的飽和甲苯溶液中，在 室溫下反應(yīng)5~6h后，取出懸臂梁，用無(wú)水乙醇和去離子水各清洗 5min，晾干即可。此后對(duì)分子鏈修飾具有六氟異丙醇的特異性敏感基 團(tuán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分子的選擇性吸附。
該修飾是將自組裝后的懸臂梁浸入六氟異丙酮的飽和水溶液，在 室溫下經(jīng)2 3h完成反應(yīng)。反應(yīng)后即在苯環(huán)上修飾了六氟異丙醇敏感 基團(tuán)。取出懸臂梁，用去離子水清洗5min后，晾干待用。
然后該懸臂梁傳感器就可以按照如附圖3所示的檢測(cè)原理進(jìn)行 TNT氣體檢測(cè)了。
權(quán)利要求
1、一種硅懸臂梁傳感器，包括硅微機(jī)械諧振的懸臂梁(5)，掃描探針顯微鏡(SPM)設(shè)備內(nèi)置的壓電驅(qū)動(dòng)器(4)，硅微機(jī)械諧振的懸臂梁(5)通過(guò)懸臂梁的襯底基座固定在掃描探針顯微鏡(SPM)設(shè)備內(nèi)置的壓電驅(qū)動(dòng)器(諧振驅(qū)動(dòng)裝置)(4)上，由諧振驅(qū)動(dòng)裝置的振動(dòng)形成懸臂梁(5)的諧振，其特征在于在硅微機(jī)械懸臂梁(5)諧振敏感結(jié)構(gòu)末端選擇性集成制作穿通懸臂梁的孔徑為100～800nm、孔隙率為20％～60％的多孔硅區(qū)域(6)，多孔硅區(qū)域(6)上表面自組裝及修飾的敏感材料分子(3)，用來(lái)特異性吸附被檢測(cè)分子(8)；掃描探針顯微鏡(SPM)設(shè)備內(nèi)置的檢測(cè)入射激光束(1)照射在懸臂梁上表面多孔硅以外區(qū)域的金薄膜(7)上，懸臂梁金表面反射光(2)反射至掃描探針顯微鏡(SPM)設(shè)備內(nèi)置的光偏轉(zhuǎn)檢測(cè)器上，完成諧振信號(hào)的檢測(cè)。
2、 一種如權(quán)利要求1所述的硅懸臂梁傳感器的制備方法，其特征在于包括如下制備步驟(1)、多孔硅結(jié)構(gòu)的懸臂梁制造； (a)、硅片預(yù)處理采用n型摻雜的(100)晶面的雙面拋光SOI(絕緣體 上的硅)硅圓片，頂層硅電阻率在0.01 10Q《m范圍內(nèi)，將 頂層硅用各向異性濕法腐蝕減薄至懸臂梁厚度1 1(Him，兩 面熱氧化形成厚度在50~2000nm范圍內(nèi)的氧化層，然后雙 面用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)方法制作厚度在100~ 200nm的氮化硅薄膜； (b)、硅片背面刻蝕將步驟(a)經(jīng)預(yù)處理的硅片兩面涂光刻膠，用光刻膠做掩模，在背面光刻出可形成懸臂梁區(qū)域的圖形，在圖形的每個(gè)方向上，光刻圖形的尺寸需要大出襯底硅厚度的^倍；其中懸臂梁區(qū)域的圖形為矩形、變截面矩形、U形、三角 形、音叉形；先用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)干法刻開反面的氮化硅層，再 用緩沖氫氟酸(NH4F:HF=7:1)濕法腐蝕掉下面露出的氧化硅， 由此在背面形成腐蝕窗口 ，用濃度為20% 50%的KOH水溶液 或其它硅的各向異性腐蝕液腐蝕掉窗口內(nèi)的硅，直至停止在 SOI硅片的氧化硅掩埋層，去除兩面剩余的光刻膠；(c) 、多孔硅的形成采用濺射的方法在硅片背面先形成50~200nm厚度的鈦鎢 合金薄膜，再形成厚度200 600nm的金薄膜；采用與(b)步驟相同的技術(shù)，在硅片正面光刻出多孔硅 區(qū)域圖形結(jié)構(gòu)窗口，然后在正面形成集成制造多孔硅的暴露硅 的窗口，再以背面的鈦鎢/金薄膜為陽(yáng)極，以溶液中與硅片正 面相對(duì)且保持距離范圍在1 10cm的鉑電極為陰極，陰陽(yáng)兩極 都浸沒(méi)在混合了無(wú)水乙醇的氫氟酸水溶液中，無(wú)水乙醇與40% 氫氟酸水溶液的體積比例范圍在1:0.5~4，在基板上通以直流 電壓后在該溶液中形成了循環(huán)電流，控制電流密度為 5~300mA/cm2，通過(guò)陽(yáng)極電流的作用即陽(yáng)極氧化作用，在正面 開硅孔的區(qū)域就形成了孔徑為100 800nrn、孔隙率為 20%~60%的多孔硅；(d) 、懸臂梁的微機(jī)械加工先后采用金的腐蝕液碘在碘化鉀的飽和溶液和鈦鎢的腐蝕液 雙氧水將背面的金屬去除，在硅片正面通過(guò)旋涂光刻膠和光刻工藝形成覆蓋多孔硅區(qū)域的圖形，采用濺射再次形成鈦鎢/金薄膜，此次的薄膜厚度為100~300nm，通過(guò)濕法去除多孔硅區(qū)域的光刻 膠，保留除多孔硅區(qū)域以外懸臂梁上的金屬薄膜，然后再旋涂光 刻膠并光刻出懸臂梁的形狀，懸臂梁長(zhǎng)、寬和厚度的范圍分別為 100~500pm、 40 200nm和1 ~10|im,在光刻膠保護(hù)下先后用腐 蝕液去除沒(méi)有光刻膠保護(hù)部分的金和鈦鎢層，再用RIE干法刻蝕 和BHF濕法刻蝕先后去除暴露的氮化硅和氧化硅，采用RIE干法 深刻蝕暴露的硅直至硅片穿透，然后去除硅片正面的光刻膠，就 形成了可以自由振動(dòng)的微機(jī)械硅懸臂梁結(jié)構(gòu)；(2) 、懸臂梁的形成將步驟(1)獲得的自由振動(dòng)的微機(jī)械硅懸臂梁結(jié)構(gòu)，經(jīng)劃 片后，得到若干個(gè)懸臂梁連同其硅片襯底基座一同待用；(3) 、多孔硅結(jié)構(gòu)的表面敏感分子鏈的自組裝和修飾將步驟(2)結(jié)束后，在多孔硅結(jié)構(gòu)表面上自組裝具有硅氧 烷頭基的分子鏈，之后尾基修飾上對(duì)被測(cè)化學(xué)分子有特異性的敏 感分子基團(tuán)；該自組裝是將懸臂梁浸入溶有硅氧烷頭基的飽和甲苯溶液 中，在室溫下反應(yīng)5 6h后，取出懸臂梁，用無(wú)水乙醇和去離子 水各清洗5min，晾干即可；該修飾是將自組裝后的懸臂梁浸入六氟異丙酮的飽和水 溶液，在室溫下經(jīng)2 3h完成反應(yīng)后，即在苯環(huán)上修飾了六氟異 丙醇敏感基團(tuán)，取出懸臂梁，用去離子水清洗5min后，晾干待 用；(4) 、多孔硅結(jié)構(gòu)的懸臂梁與掃描探針顯微鏡(SPM)設(shè)備的連接將步驟(3)獲得的多孔硅部位修飾了敏感分子鏈的懸臂梁的襯底基座固定在掃描探針顯微鏡(SPM)設(shè)備上的壓電驅(qū)動(dòng) 器上，驅(qū)動(dòng)頻率從0.1 500kHz，用SPM上的激光束照射在懸臂 梁上，通過(guò)SPM上的標(biāo)準(zhǔn)光電檢測(cè)器，整體安裝完成即形成了 本發(fā)明的一種可實(shí)現(xiàn)氣體小分子進(jìn)行測(cè)量的硅懸臂梁傳感器。
3、 一種如權(quán)利要求2所述的硅懸臂梁傳感器，其特征在于懸臂梁傳感器的多孔硅表面上自組裝和修飾具有不同特異性敏感基團(tuán)的 敏感膜，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同化學(xué)(氣體)分子的選擇性敏感檢測(cè)。
4、 一種如權(quán)利要求3所述的硅懸臂梁傳感器，其特征在于用于痕量 化學(xué)氣體的檢測(cè)，如爆炸物三硝基甲苯(TNT)、甲基膦酸二甲酯(DMMP)的檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅懸臂梁傳感器及其制備方法和應(yīng)用，屬于微納米傳感器領(lǐng)域。即在懸臂梁的自由末端附近通過(guò)選擇性陽(yáng)極氧化方法在氫氟酸溶液內(nèi)形成多孔硅結(jié)構(gòu)。利用該多孔硅區(qū)域增大的比表面結(jié)構(gòu)，在硅孔內(nèi)壁上自組裝大量特異性識(shí)別的具有硅氧頭基和特異性尾基的線性聚合物或超枝化聚合物敏感分子，可以特異性俘獲大量的被檢測(cè)化學(xué)分子以積累較大的被測(cè)物俘獲質(zhì)量。本發(fā)明的一種硅懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、容易實(shí)現(xiàn)，可以應(yīng)用在痕量化學(xué)氣體檢測(cè)。
文檔編號(hào)B81C99/00GK101592578SQ20091005379
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者李文瓊, 瑾 董, 袁聯(lián)群, 丹 鄭, 強(qiáng) 郭 申請(qǐng)人:上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院