空心圆盘谐振式质量传感器

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.78MB 71 页 15积分
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摘 要
微质量传感器具有结构简单、通用性好、成本低廉等优点，在环境科学、生
物化学、表面科学等研究领域有着很广泛的应用。利用微谐振器件制作微型质量
传感器是传感器技术重要研究方法之一，然而，器件的环境变化影响与检测流体
的粘滞阻尼是限制此类质量传感器性能的两个最重要因素。
为了克服这两个问题，本文提出了一种利用模态的简并和解并原理实现质量
检测的空心圆盘结构。在流体检测前，谐振器工作于简并模态，即这两个模态振
型的基本分布相同但是空间偏转一定角度，而且这两模态的谐振频率相同。流体
流过圆盘的空心通道时，分子吸附于圆盘下面板上的选择吸附层上，破坏了圆盘
的完全对称性，从而导致两个初始的简并工作模态发生解并，即两模态的频率发
生分裂。频率的分裂值与物质吸附的质量成正比。通过检测吸附后的频率分裂值
就可以实现质量检测。由于两模态所处的环境是完全相同的，所以检测到的由环
境变化因素引起的寄生频率值也相同，通过差分的方法就能完全消除环境因素变
化对检测精确度的影响，即该器件能自补偿。同时，检测流体是通过圆盘的空心
腔完成吸附的，所以能够通过真空封装完全消除粘滞阻尼，提高器件的品质因数
和灵敏度。
本文对空心圆盘谐振式质量传感器的结构进行了理论分析和 ANSYS 仿真模
拟。详细讨论了器件结构的各种关键尺寸参数对器件性能的影响，结合微机电系
统的相关工艺，完成了该器件的结构与工艺设计。最后完成 7块光刻掩膜版图的
设计，并成功制作出器件。初步测试的结果表明器件能够工作于设计的工作模态，
验证了该设计和工艺流程的可行性。
关键词：微机电系统 空心圆盘 质量传感器 谐振器 自补偿
ABSTRACT
The micromass sensor can be widely used in environmental instruments,
bio-chemical sensing and surface measurements due to the advantage of high
sensitivity, cost-effect and simple structure. This kind of microsensor induced by
microresonator frequency variations is one of broad approaches. However, the
environmental influence and air damping have been two most important limitation
factors for microresonators in practical applications.
This thesis presented a hollow micro-disk mass sensor based on the frequency
modification of the resonator by generation and degeneration to solve problems
mentioned the above. the resonator with a cyclically symmetric structures has a couple
of the overlap micro-disks with a displacement rotation to each other but the
micro-disks have the same native frequency called as degenerate modes. As the fluid
flow through the channel within the hollow resonator, the target material will be
adsorbed on the surface of one micro-disk that was intentionally coated by some
affinity films with selectivity during the fabrication of the mass sensor, the generation
frequency will be split, i.e. degeneration. Therefore, the mass can be known by the
difference value of frequency that is proportional to the adsorption amounts. The
system toleration caused by the influences of measurement environment (for example,
temperature) can be cancelled thanks the two micro-disks is being under the same
conditions. In addition, the viscous damping can be eliminated by means of vacuum
packaging to greatly improve the quality factor and device sensitivity.
This thesis designed and analyzed the structure of hollow micro-disk resonant
mass sensor by ANSYS software simulation. The critical dimensions concerning the
micromass sensor for MEMS process accomplishment have been discussed to obtain
the optimal performance of the microsensor. The fabrication process flow was
carefully designed and the key processes were come out. Based on these analysis, one
set of layout with 7-layer for photolithography was designed and the prototype device
was successfully developed. The preliminary tests have been performed. The
experimental results demonstrated that the device manufacturing processes was
feasible.
Keywords: Micro-electro-mechanical System(MEMS), hollow
micro-disk, mass sensor, resonator, self-compensation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ...................................................... 1
§1.1 MEMS 概述 .................................................. 1
§1.2 质量传感器简介 ............................................ 2
§1.3 课题研究内容及意义 ........................................ 8
第二章 空心圆盘谐振式质量传感器的设计 ........................... 12
§2.1 质量传感器的驱动与检测 .................................. 12
§2.1.1 静电驱动原理………………………………………………………12
§2.1.2 压阻检测原理………………………………………………………15
§2.2 质量传感器的原理 ......................................... 20
§2.3 质量传感器的结构设计 ..................................... 21
§2.3.1 压阻位置……………………………………………………………22
§2.3.2 圆盘尺寸参数的设计………………………………………………30
第三章 空心圆盘谐振式质量传感器的工艺制作 ....................... 37
§3.1 质量传感器的工艺设计 ..................................... 37
§3.2 关键工艺 ................................................. 39
§3.2.1 圆形空腔的释放……………………………………………………39
§3.2.2 压阻制作……………………………………………………………42
§3.2.3 lift-off 工艺…………………………………………………………48
§3.2.4 SiNx 溅射…………………………………………………………51
§3.3 版图设计 ................................................. 60
§3.4 器件初步测试 ............................................. 62
第四章 总结与展望 ............................................... 64
参考文献 ........................................................ 65
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 69
致谢 ............................................................ 70
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 MEMS 概述
微电子机械系统（Micro-electro-mechanical System，简写为 MEMS）是指构
成元件尺寸在微米到纳米量级之间，能够批量制作的，集微结构、微传感器、微
执行器、信号处理及控制电路、接口和信号传输为一体的微型机电系统。它是微
电子和微机械系统互相结合的产物
]3,2,1[
。
MEMS 技术具有巨大的市场潜力
]6,5,4[
，总的来说，MEMS 主要有以下几个方
面的特点：
微型化：MEMS 的构成元件的尺寸在微米到纳米量级
]7[
，其外形轮廓的尺寸
则在毫米量级以下。MEMS 器件具有体积小、重量轻、惯性小、精度高、耗能低、
响应时间短等优点。
批量生产：MEMS 器件可以大批量生产，用 MEMS 工艺可以在一片硅片上
同批制作出成百上千个 MEMS 器件，从而大大降低了成本，提高了器件的性价比。
MEMS 采用微电子技术与微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA
和键合等技术）相结合的制造工艺。
集成化：MEMS 器件可以把多个传感器或执行器集成于一体，这些传感器或
执行器可以有不同的功能、敏感致动方向。把微传感器、微执行器和 IC 集成在一
起，就可以制作出高稳定性和高可靠性的微机电系统。
多学科交叉性：MEMS 涉及电子、机械、物理、化学、材料、生物等多个学
科
]9,8[
。MEMS 与这些学科相互促进发展。
微机电系统（MEMS）的制作技术
]11,10[
是从专用集成电路（ASIC）技术发展
起来的。MEMS 可以如同 ASIC 技术那样批量制作，但是相比于 ASIC 制作，工
艺更加复杂。其主要原因是 MEMS 的制作是一种高水平的微米/纳米技术，它采
用了化学或生物活化剂之类的特殊材料。微米制作技术包括：淀积、光刻、刻蚀、
外延生长、离子注入扩散、测试与封装。纳米制作技术除了包括微米制作的一些
技术和工艺外，还包括了一些利用材料的特性对其进行分子和原子量级的加工与
排列技术和工艺。MEMS 的制作工艺包括了 LIGA（光刻、电镀、铸塑）、非平面
电子束光刻、声激光刻蚀、真空镀膜、电火花加工、金刚石微量切削加工。
目前，制作 MEMS 器件的技术中，常用的主要是以下三种：第一，利用传统
机械加工手段的方法，这种技术以日本为代表，即先利用大机器制作小机器，然
后再利用小机器制作微机器；第二，利用化学腐蚀或是集成电路工艺技术对硅材
空心圆盘谐振式质量传感器的研制
2
料进行加工形成硅基 MEMS 器件，这种技术以美国微代表；第三，利用 X射线
光刻，通过电铸成型和塑铸形成深的微结构，这种方法即以德国为代表的 LIGA
（光刻、电铸、塑铸）技术。第一种方法一般用于加工在特殊场合应用的微机械
装置。第二种方法是目前 MEMS 的主流技术，该方法与传统 IC 工艺可兼容，能
够实现微机械与微电子的系统集成，并且适合批量生产。第三种方法也是一种比
较重要的 MEMS 加工技术，该技术可用来加工各种金属、塑料等材料，能够制作
大深宽比的精密结构。利用 LIGA 技术已经能够成功制作出微齿轮
]12[
、微马达
]13[
、
微加速度计
]14[
等。
§1.2 质量传感器简介
最近，用于生化分子检测的质量传感器引起了越来越多的关注
]16,15[
。所谓质
量传感，是指利用检测传感器的频率改变，反映出由于检测物质吸附或反应从而
改变传感器的质量大小。
在各种质量传感器中，基于声波谐振的传感器有高质量检测灵敏度，易于封
装，制作成本低等优点，是最常见并广泛研究的方向。
最常见的两种声波传感器为声表面波（surface acoustic wave, 简写为 SAW）
传感器
]18,17[
和体声波（bulk acoustic wave, 简写为 BAW）传感器
]19[
。
声表面波（SAW）发现于 1885 年，瑞利（Rayleigh）根据对地震波的研究，
从理论上阐明了在各向同性的固体表面上的弹性波的特性。直至 1965 年，怀特
（R.M.White）和沃尔特默（F.W.Voletmer）发现了 SAW 波的有效激励方法：压
电基片上的叉指换能器（IDT），从而使得 SAW 进入了应用开发高潮。SAW 器件
具有工作频带宽（10MHZ-3GMHZ）体积小、重量轻、固态化、不需调整、一致
性好、稳定可靠以及信号处理功能强和抗辐射等优点，得到了广泛的应用和迅速
的发展，其现在以及应用遍及民用和军工各个方面。
声表面波是一种弹性波，它在压电基片材料表面产生并且其振幅随着深入基
片材料的深度增加而迅速减小。SAW 存在若干模式，主要包括 Lamb 波
]20[
、
Rayleigh 波
]21[
、Love 波
]22[
、B-G 波、漏剪切声表面波和快速声表面波模式的准
纵漏声表面波等。
图1所示为声表面波器件的一般结构示意图
]23[
。声表面波（SAW）器件主要
包括：压电基片、叉指结构的发射和接收换能器以及吸声材料等。在具有压电特
性的基片材料上制作两个声电转换器-叉指换能器（IDT）就形成了 SAW 器件的
基本结构。其工作的主要原理
]24[
是：通过输入换能器将输入的电波信号转换为声
第一章 绪论
3
信号，利用压电材料的压电特性，声信号沿着晶体表面进行传播，最后通过输出
换能器将接收到的声信号转换为输出电信号。其制作的主要方式是利用半导体集
成电路的平面工艺蒸镀一定厚度的铝膜于压电基片表面，然后，将设计的两个 IDT
的掩膜图形通过光刻方式转移到基片表面，分别制作为输入和输出转换器。
图 1 声表面波器件的一般结构示意图
体声波（BAW）质量传感器中，比较典型的为石英晶体微天平（quartz crystal
microbalance,简称为 QCM）。
石英晶体微天平
（QCM）是一种非常灵敏的质量检测仪器。石英晶体微
天平（QCM）最基本的原理是利用了石英晶体的压电特性，将石英晶振的电极表
面的质量变化转化为石英晶体振荡电路的输出信号的频率变化，然后通过计算机
等辅助设备获得高精度的数据。1880 年，Pierre Curie 和Jacques Curie 兄弟发现石
英晶体的压电效应，其表现为：在不受外力作用的情况下，石英晶体内的每个晶
格呈正六边形，如果施加机械压力于石英晶体的两侧，则会使得晶体的电荷中心
发生偏移而极化，从而在晶片相应的方向上会产生一定的电场；相反，若在石英
晶片上加上一电场，晶片就会相应的产生机械变形。所以，根据压电效应，若在
石英晶体的两级加上交变电压，就会引起石英晶体表面机械振动。同时机械振动
又会产生交变的电场。
石英晶体微天平（QCM）是以 AT 切石英晶体做为接收器和换能器，并利用
石英晶体的压电特性实现能量转换和传感的
。石英晶体具有 X轴（电轴）、
Y轴（机械轴）和 Z轴（光轴）三个结晶轴，属于 D3 点群、三方晶系洁净的各
向异性体。当施加拉力或是压力于 X轴或 Y轴方向时，由于形变极化，在相应的
晶面上就会产生等量的正负电荷，施加拉力与施加压力所产生的电荷极性想反，
如果施加外力于晶体的 Z轴方向，则没有电荷产生，即所谓的石英晶体的正压电
效应。反之，外加电场能使得晶体的某些方向出现应变，该应变与外加电场的强
空心圆盘谐振式质量传感器的研制
4
度呈现线性关系。如果外加电场是交变的电场，会引起机械振动。当振荡电路的
频率与石英晶体的固有频率相同时，振荡最为稳定，即共振状态，此时，通过测
量电路的振荡频率就可以得到晶体的固有频率。一般情况下，晶体的机械振动的
振幅和产生的交变电场的振幅很微小，但是，当外加的交变电压的频率达到某一
个特定频率时，石英晶体的振幅明显加大，这种现象称之为压电谐振。
石英晶体微天平（QCM）的结构示意图如图 2所示
]29[
，其主要组成部分包
括：石英谐振器（探头）、振荡器、信号检测和数据处理等部分组成。其中石英谐
振器是接收器和换能器，是从一块石英晶体上沿着与晶体光轴成 35o15、切割
（AT-CUT），得到石英晶片，在晶片的上下表面涂敷金属作为电极，两电极与石
英晶片形成三明治结构，从而构成一种谐振式传感器。常用的金属电极材料有 Au、
Ag、Pt、Ni、Pd。
图 2 石英晶体微天平的结构示意图
1959 年G.Z.Sauerbrey 导出了石英晶体的电极表面沉积的金属膜质量与石英
晶体的频率变化之间的关系：
m
SN
f
f
2
0
（1-1）
f0：石英晶体谐振器的基频（HZ）；
N：石英晶体的频率常数，与石英晶体的切型有关；
AT 切型：N=1.67e5Hz·cm
BT 切型：N=2.50e5Hz·cm
ρ：石英晶体的密度（2.65g/cm3）；
第一章 绪论
5
S：石英谐振器的电极面积（cm2）；
Δf：石英谐振器频率的变化（Hz）；
Δm：检测样品的质量，即电极表面的质量变化（g）。
公式中，负号表示检测样品的质量增加会导致石英谐振器的频率降低。
1959 年，Sauerbrey 在假定外加持量均匀刚性滴附着于 QCM 的金电极表面的
条件下，导出了 QCM 的谐振频率变化与外加质量成正比的结论：
A
m
S
A
m
c
f
ff
66
2
0
2
（1-2）
66
c
：石英的辰电强化剪切模量；
A：电极的面积；
Sf：传感器的灵敏度。
随着研究的深入，QCM 在生物、化学等液相检测领域中也取得了广泛的应
用。1985 年Kanazawa 和Gordon 推出了 QCM 在牛顿流体中振动时，其谐振频率
的变化与液体粘度和密度的关系式，即：
LL
c
f
f
66
2/3
（1-3）
由式（1-2）及式（1-3）可以看出，石英晶体微天平的谐振频率的变化量Δf
是主要的待测量
]30[
。
石英晶体微天平（QCM）的测量精度可以达到纳克级，理论上利用检测到的
质量变化相当于单分子层或原子层的几分之一
]31[
。石英晶体微天平作为微质量传
感器具有结构简单、成本低、灵敏度高、振动 Q值大、测量精度可达到纳克量级
等优点。石英晶体微天平能进行气体、液体的成分分析和质量检测、薄膜厚度测
量等，在物理、化学、医学、生物和表面科学等领域中有很广泛的应用。
薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Wave Resonator，简称为 FBAR）
]33,32[
是将 MEMS 技术与体声波谐振器结合起来的一种结构，是能够解决系统的低功耗
和微型化的关键技术。相较于声表面波，体声波的传播速度要快，所以 FBAR 的
频率高，体积小而且换能效率较高，能够与半导体工艺兼容，能与射频系统前端
滤波器集成，从而实现射频系统的微型化。
薄膜体声波谐振器（FBAR）的基本结构示意图如图 3所示
]34[
。它主要由金
属上电极，压电薄膜及金属下电极组成的三明治结构。
FBAR 的基本工作原理
]35[
为：当在金属电极上施加电压时，由于逆压电效应，
压电材料就会产生机械形变并且在薄膜内激励出体声波，体声波在两金属电极平
摘要：

摘要微质量传感器具有结构简单、通用性好、成本低廉等优点，在环境科学、生物化学、表面科学等研究领域有着很广泛的应用。利用微谐振器件制作微型质量传感器是传感器技术重要研究方法之一，然而，器件的环境变化影响与检测流体的粘滞阻尼是限制此类质量传感器性能的两个最重要因素。为了克服这两个问题，本文提出了一种利用模态的简并和解并原理实现质量检测的空心圆盘结构。在流体检测前，谐振器工作于简并模态，即这两个模态振型的基本分布相同但是空间偏转一定角度，而且这两模态的谐振频率相同。流体流过圆盘的空心通道时，分子吸附于圆盘下面板上的选择吸附层上，破坏了圆盘的完全对称性，从而导致两个初始的简并工作模态发生解并，即两模态...

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作者：牛悦 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：71 页 大小：2.78MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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