專利名稱：：彎曲壓電式氧化鋅納米棒微電機(jī)(mems)振動(dòng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是將氧化鋅納米棒陣列與微電機(jī)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用氧化鋅納米棒受力彎曲變形所產(chǎn)生壓電效應(yīng)，將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號，達(dá)到振動(dòng)傳感的目的。
背景技術(shù)：
：振動(dòng)傳感器被廣泛地用于工業(yè)，國防，和日常生活中。它的基本工作原理是在外力作用下，一個(gè)裝置中的機(jī)械結(jié)構(gòu)中的某一部份和其他部份產(chǎn)生相對慣性運(yùn)動(dòng)，瞬態(tài)改變該部份機(jī)械結(jié)構(gòu)的相對位置，再利用電磁場或壓電材料特性將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電信號，從而獲得振動(dòng)信息。目前實(shí)用的振動(dòng)傳感器大致為三種電磁式、壓電式和電容式。它們可以用一般的機(jī)械結(jié)構(gòu)，也可以用微電機(jī)結(jié)構(gòu)(MEMS)來實(shí)現(xiàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的傳感器已經(jīng)越來越不能滿足需要。這是因?yàn)楝F(xiàn)在的振動(dòng)傳感器存在許多缺點(diǎn)體積大電磁式有磁體、線圈、支撐結(jié)構(gòu)，很難作得很小。壓電陶瓷的"學(xué)習(xí)"特性，其工作壽命短。壓電晶體雖然很穩(wěn)定，但是它的敏感度比壓電陶瓷要低得多。壓電陶瓷的內(nèi)阻很高，一般在GQ以上。電流很小，必須用電荷放大器和限幅放大器。因此電路復(fù)雜，價(jià)格高；傳統(tǒng)振動(dòng)傳感器^般需要較大的偏置電流，耗電大。由于熱電效應(yīng)，即使有良好的隔熱封裝，壓電陶瓷的熱穩(wěn)定性仍然不理想。電磁式振動(dòng)傳感器的電磁抗干擾力差；一般來說，壓電陶瓷振動(dòng)傳感器要比電磁式振動(dòng)傳感器好。因此現(xiàn)代應(yīng)用大多傾向?yàn)閴弘娛?。理論上，壓電晶體的穩(wěn)定性比壓電陶瓷好得多，但壓電晶體的敏感度要比壓電陶瓷低得多，并且噪聲也要高。最近幾年出現(xiàn)的氧化鋅納米棒具有非常突出的壓電特性。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在一根直徑只有幾十納米，長度為幾微米的氧化鋅納米棒的壓電電壓輸出可在5至50毫伏之間，而它的內(nèi)阻卻只有幾十到幾百kQ,比壓電陶瓷要低上千倍到萬倍。這是因?yàn)闊o論是用真空氣象法或是液象法所生成的納米材料具有非常均勻整齊對稱的晶格排列。無論是機(jī)械穩(wěn)定性，化學(xué)穩(wěn)定性還是電穩(wěn)定性納米材料都比陶瓷材料要好得多。電磁式、壓電式和納米傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)列于表l中。表l電磁振動(dòng)傳感器，壓電振動(dòng)傳感器和納米振動(dòng)傳感器比較性能參數(shù)電磁式壓電式納米壓電式頻率平滑201500Hz是是—頻率平滑2-5000Hz不是—相位一致性25000Hz不好優(yōu)優(yōu)低離軸敏感度不好好優(yōu)高頻噪聲低高極低線性度好好優(yōu)任意指向安裝不是是工作到120^C是是是機(jī)械壽命一般優(yōu)優(yōu)附加電路一般復(fù)雜簡單體積大一般極小耗電大中無或極小抗電磁干擾低優(yōu)優(yōu)納米材料傳感器有著和壓電式傳感器幾乎一樣的優(yōu)點(diǎn)，再加上極小的體積，極高的敏感性和穩(wěn)定性，幾乎不耗電，使得用納米材料作成的傳感器比普通壓電式有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)，垂直生長的氧化鋅納米棒在受到側(cè)向外力作用而彎曲時(shí)具有壓電特性。在圖l所示的結(jié)構(gòu)中，氧化鋅納米棒的橫截面為正六邊形。由于受到彎曲，納米棒的向外部份受到拉伸，向內(nèi)部份受到擠壓。由壓電原理知道，拉伸和擠壓將產(chǎn)生方向相反的電場。也就是沿軸向方向在中分面兩側(cè)將產(chǎn)生方向相反的兩個(gè)電場。所以無論向何方向彎曲，橫截面上部始終為正電位，下部為負(fù)電位，中分面與生長襯底相連接為零電位。截面上部的正電位大小與納米棒彎曲的程度成正比例，彎曲越大，電位越高。根據(jù)研究，長度在1微米左右，直徑在40至80納米的氧化鋅納米棒的電壓輸出在5至50微伏之間。要使納米棒受側(cè)向力產(chǎn)生彎曲，并將壓電信號取出，必須采用微電機(jī)結(jié)構(gòu)。通常微電機(jī)結(jié)構(gòu)用硅片或其他材料制作?，F(xiàn)在的工藝已能在硅片上用千法或濕法刻蝕出非常復(fù)雜的圖形。包括刻蝕出能感知外界振動(dòng)的形狀，如平面彈簧，如圖2所示。該平面彈簧具有多個(gè)自諧振頻率。選擇不同的材料，材料厚度，結(jié)構(gòu)尺寸可獲得從幾十赫茲到幾千、上萬赫茲的自諧振頻率。其振動(dòng)規(guī)律(模式)包括左右、上下、前后等等。將平面彈簧壓在氧化鋅納米棒上，迫使納米棒彎曲，如圖3所示。在外界的振動(dòng)作用下，彈簧會(huì)隨之共振。其中上下振動(dòng)模式可以改變納米棒的彎曲程度，左右和前后振動(dòng)可以迫使那些原來沒有被壓住的納米棒受壓彎曲。于是在電極間可產(chǎn)生與振動(dòng)相關(guān)的電壓輸出。由于平面彈簧的尺寸比納米棒尺寸大得多，在其面積復(fù)蓋下將有很多納米棒，形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是提高輸出功率和降低內(nèi)阻抗，使得信噪比提高，下游電路簡化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的氧化鋅納米棒振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。它由兩部份構(gòu)成在堅(jiān)硬襯底上基本整齊一致地垂直生長的氧化鋅納米棒和微電機(jī)(MEMS)結(jié)構(gòu)。襯底的硬度必須大于氧化鋅納米棒，并且導(dǎo)電，例如P型或N型硅晶片。微電機(jī)結(jié)構(gòu)是采用平面工藝制作的多層結(jié)構(gòu)。在堅(jiān)硬的襯底表面用真空氣相法或液相法或其他方法在預(yù)定的區(qū)域內(nèi)生長出垂直的氧化鋅納米棒陣列，其單根長度可在幾百納米到十幾微米，直徑在幾十納米至l微米左右。除個(gè)別外，其他大多數(shù)納米棒長度應(yīng)基本一致。在另一同樣堅(jiān)硬的襯底上刻蝕出微電機(jī)結(jié)構(gòu)，如平面彈簧(圖2)，重疊于有納米棒的襯底之上，將其下壓使納米棒壓彎至一定的曲度。下壓程度由兩襯底之間的絕緣層厚度確定。該絕緣層同時(shí)又是連接層，它將兩襯底粘接在一起，形成一個(gè)整體。由于兩襯底是導(dǎo)電的，它們同時(shí)又是傳感器的兩電極。壓彎的納米棒沿中軸線分為電壓的正、負(fù)區(qū)。中軸線是零電壓，并與生長襯底同電位。彎曲部份與另一襯底相接觸的部份是正電位，與它相對在中軸線另一側(cè)的部份是負(fù)電位。于是在兩襯底之間將建立起一個(gè)電位差。該電位差與納米棒壓彎的程度有關(guān)，壓得越彎電位差越大。為防止過載，在生長納米棒的襯底上還應(yīng)有過載保護(hù)墊，見圖3。用導(dǎo)線將兩襯底連接，將該電壓引出，根據(jù)電壓變化強(qiáng)度就可知道氧化鋅納米棒的彎曲程度，進(jìn)而就知道平面彈簧的運(yùn)動(dòng)幅度和外界振動(dòng)強(qiáng)度。如果采用一定的濾波算法，消除平面彈簧的固有頻率，從電壓波形就可知道振動(dòng)的頻率。兩襯底的大小為幾個(gè)平方微米至幾個(gè)平方毫米，其中生長納米棒的襯底厚度為幾百微米，另一襯底厚度根據(jù)需要傳感的振動(dòng)性質(zhì)一般為幾到十幾微米。中間的絕緣層厚度一般為l至幾微米。其材料為即可絕緣又可粘接兩襯底的材料，但溫度系數(shù)與襯底材料必須基本一致，以保持傳感器的溫度穩(wěn)定性。圖l氧化鋅納米棒彎曲后產(chǎn)生的電位差圖2襯底上的平面彈簧圖3納米振動(dòng)傳感器橫截面示意圖圖4在硅基片上生長氧化鋅納米棒步驟圖5具有平面彈簧圖形的SOI硅片。圖6組裝過程。圖中IOI—基材；102—未被壓彎的氧化鋅納米棒；103—在側(cè)向外力作用下彎曲的納米棒；F—側(cè)向外力；屮V—正電壓；-V—負(fù)電壓；OV—零電壓；201—平面彈簧；301—生長氧化鋅納米棒的基材；302—絕緣層；303—帶有平面彈簧的上層基材；304—受壓彎曲的納米棒；305—防過載墊；V—輸出電壓；401—氧化硅層；402—硅基材；403—蝕刻出圖形，曝露出硅襯底；404—在曝露出的區(qū)域生長氧化鋅納米棒；405—氧化鋅納米棒；501—SOI基材；502—在較薄層上刻蝕出平面彈簧；503—在刻蝕出的區(qū)間臨時(shí)填充可去除的膠；504—可去除膠；601—帶有平面彈簧的SOI;602—生長有氧化鋅納米棒的襯底；603—將帶有平面彈簧的基材和生長納米棒的基材壓合；604—減薄除去上層硅；605—腐蝕除去SiC)2層；606—除去臨時(shí)膠，得到氧化鋅納米振動(dòng)傳感器芯片。具體實(shí)施例方式氧化鋅納米傳感器可用多種基材制作。這里以硅基材為例說明該氧化鋅納米振動(dòng)傳感器的制作步驟1.在襯底基材上生長氧化鋅納米棒陣列選取一N型硅晶片，基材厚度一般在五百微米左右。在某一單面上有一層厚度為1.2至5微米的Si02。清洗干凈后用光刻的方法在預(yù)定的地方先刻蝕出防過載墊。具體作法是先作一次淺刻蝕，作出防過載墊，再作深刻蝕曝露出硅基材層。再用濺射的方法在硅層上生成一層厚度為幾十至幾百納米的生長種子層，其材料為氧化鋅。根據(jù)傳感頻率其面積大小可為l平方微米至幾平方毫米。一般面積小的為高頻傳感，面積大的為低頻傳感。用氣相法或液相法在基材種子層上生長出長度超過SiO2厚度0.2至l微米的氧化鋅納米棒，如圖4所示。2.平面彈簧的設(shè)計(jì)與制作皿選取另一N型SOI硅片，其中Si02的厚度為l至2微米。根據(jù)該基材的楊氏模量，伯松比，材料密度和需要傳感的頻率范圍，確定平面彈簧的形狀和尺寸。一個(gè)典型的例子，如果需要傳感的頻率點(diǎn)如下表，選用曲折形平面彈簧，如圖2所示。其材料參數(shù)是楊氏模量為0.17N/um2(170GPa)，伯松比為0.2，密度為2.3310"5kg/um3(2330kg/m3)。用ANSYS算得平面彈黌圈數(shù)為5，寬度為5微米，長50微米，圈一圈間隔5微米，平面彈簧厚度為5微米，彈簧總長度是100微米。該平面彈簧一端固定在框的一個(gè)邊緣上，另一端懸空。邊框的尺寸是100xl20微米。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>劍作在較薄硅片上根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和尺寸要求，用干法或濕法在除平面彈簧以外的區(qū)域刻蝕至Si02層。再在其中臨時(shí)填充光刻膠，以防止以后加工中污染氧化鋅納米棒。去除多余的膠部份，拋光打平整個(gè)表面，如圖5所示。3.微電機(jī)結(jié)構(gòu)組裝a.將刻有平面彈簧的SOI反扣，與長有氧鋅納米棒的襯底對準(zhǔn)，用膠或熱壓法或其他方法將兩者壓接在一起。b.將SOI用減薄機(jī)減至Si02層。c.將Si02層用HF腐蝕掉。d.用丙酮將臨時(shí)光刻膠去除。以上過程見圖6。將整片硅片切片成單獨(dú)的傳感器裸芯片，再封裝后就成傳感器器件。權(quán)利要求1.一種振動(dòng)傳感器，其特征是均勻垂直生長的氧化鋅納米棒陣列與微電機(jī)結(jié)構(gòu)的結(jié)合；2.根據(jù)權(quán)利要求l所記述的，其特征是該納米棒陣列處于傳感器上、下兩電極之間，部份或全部受到兩電極的壓迫而彎曲。3.根據(jù)權(quán)利要求K2所記述的，其特征是受壓彎曲的氧化鋅納米棒會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，在兩電極之間會(huì)產(chǎn)生電壓輸出。4.根據(jù)權(quán)利要求l、2所記述的，其特征是所有氧化鋅納米棒的一端是生長在兩電極中的一個(gè)之上，其中一部份納米棒的另一端與另一電極相接觸，是歐姆接觸。其余部份的另一端懸空。5.根據(jù)權(quán)利要求l、2、3所記述的，其特征是兩電極材料的硬度要比氧化鋅納米棒硬度大，或者材料硬度不大但材料表面硬度大的導(dǎo)電層，并且能與氧化鋅納米棒形成歐姆接觸。6.根據(jù)權(quán)利要求l、2、3所記述的，其特征是兩電極之間有一絕緣層，用于兩電極的連接與隔離，并控制納米棒的初始壓迫程度。7.根據(jù)權(quán)利要求l、2、3、4、5、6所記述的，其特征是為防止過載，兩電極之間有防過載墊。8.根據(jù)權(quán)利要求l、2、4、5所記述的，其特征是在沒有生長氧化鋅納米棒的電極上刻有圖形，它能隨外界振動(dòng)而產(chǎn)生共振。9.根據(jù)權(quán)利要求l、2、4、5、8所記述的，其特征是該圖形結(jié)構(gòu)壓彎氧化鋅納米棒，如果圖形結(jié)構(gòu)為上下共振時(shí)，納米棒的壓迫程度將隨之改變，于是在兩電極間有變化電壓輸出。如果該圖形的共振模式是左右或前后時(shí)，原來與圖形不接觸的納米棒將受到圖形結(jié)構(gòu)的擠壓而變形，產(chǎn)生壓電效應(yīng)，電極也有電壓輸出。10.根據(jù)權(quán)利要求9，IO所記述的，其特征是能與外界共振的圖形具有多個(gè)離散的頻率共振點(diǎn)，形成該傳感器對特定頻率或頻率范圍傳感。全文摘要本發(fā)明是將氧化鋅納米棒與微電機(jī)(MEMS)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用氧化鋅納米棒受力彎曲變形所產(chǎn)生壓電效應(yīng)和微電機(jī)中某部分能與另外部分產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號，達(dá)到振動(dòng)傳感的目的。與傳統(tǒng)的振動(dòng)傳感器相比，其特點(diǎn)是體積小(在微米量級)，重量輕，不耗電或少耗電，靈敏度高。再加上氧化鋅納米棒的物理和化學(xué)穩(wěn)定性好，所以該傳感器可應(yīng)用于廣泛領(lǐng)域。文檔編號G01H11/00GK101294844SQ20071009787公開日2008年10月29日申請日期2007年4月23日優(yōu)先權(quán)日2007年4月23日發(fā)明者萬里兮申請人:萬里兮