專利名稱：電磁激勵高階模態(tài)硅微機械懸臂梁的驅動結構、制作方法及應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電磁激勵高階模態(tài)諧振式微機械懸臂梁的驅動結構、制作方法及應用，具體而言，是采用與懸臂梁高階諧振模態(tài)的振動函數曲線相匹配的優(yōu)化布置電磁激勵線圈，產生與該模態(tài)懸臂梁相應位置運動方向相同的洛倫茲力驅動懸臂梁振動。本發(fā)明屬于微機械傳感器技術領域。
背景技術：
諧振式微機械懸臂梁傳感器由于具有高分辨率、高靈敏度、快速響應和數字式輸出信號等特點，而被廣泛應用于生化檢測、壓力敏感、慣性測量等傳感技術領域，其中作為質量敏感傳感器在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等方面具有廣闊的應用前景。該傳感器的核心部件是諧振狀態(tài)下的硅懸臂梁及其諧振驅動和壓阻敏感元件。當通過生化特異性吸附將待測物吸附在懸臂梁表面時，懸臂梁等效質量的變化使懸臂梁固有諧振頻率發(fā)生變化，通過檢測該諧振頻率的變化量能高精度地定量分析待測物的含量，其質量檢測分辨率主要取決于諧振懸臂梁的品質因數。諧振懸臂梁在高階模態(tài)下具有比基頻模態(tài)更高的品質因數和靈敏度，因此通過激勵其懸臂梁的高階模態(tài)能夠有效改善其檢測分辨率。電磁激勵由于具有驅動力大、功耗小等特點常被用作懸臂梁諧振的驅動方式。傳統的電磁激勵通過位于懸臂梁上導線線圈中的交變電流，在外置永磁體產生的恒定磁場中產生交變的洛倫茲力驅動懸臂梁振動(Y.Li，O.Brand，H.Baltes，et al.，Very high Q-factor inwater achieved by monolithic，resonant cantilever sensor with fullyintegrated feedback，Sensors 2003，Proceedings of IEEE，Vol.2，809-813)。如圖1所示，在這種驅動方式中，線圈被盡可能地布置在懸臂梁邊緣，在懸臂梁自由端產生一個洛倫茲力驅動懸臂梁振動。由于懸臂梁基頻諧振模態(tài)的振形函數曲線只有一個位于自由端的極點，這種驅動方式與基頻振形函數曲線相符合(如圖2(a)所示)。但是，懸臂梁在高階諧振模態(tài)的振形函數曲線具有多個極點，這種只在懸臂梁自由端產生驅動力的驅動方式與高階模態(tài)振形函數曲線并不完全匹配(如圖2(b)所示)。因此，現有的傳統電磁激勵方式不能滿足高階諧振模態(tài)下獲得高品質因數的驅動要求。由于驅動線圈通常采用鋁薄膜制作，易被腐蝕，在實際應用中，需要一層鈍化層對鋁線圈進行保護，常用低溫淀積氮化硅或氧化硅等介質層的方法形成鈍化層，但是淀積薄膜過程形成的應力會改變諧振式懸臂梁的固有諧振頻率，傳統的鋁線保護方法也不適合這種高階模態(tài)諧振式懸臂梁器件。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種更有效的電磁激勵高階模態(tài)諧振式微機械懸臂梁的驅動結構、制作方法及應用，以克服傳統電磁激勵方式的不足。其基本思想及實現方法如下依據高階模態(tài)振形函數曲線的極點位置優(yōu)化布置驅動線圈，使交變驅動電流在相應的極點位置產生與懸臂梁振動方向相同的洛倫茲驅動力，這樣的驅動方式與高階模態(tài)振形函數曲線完全匹配(如圖2(c)所示)，能夠更好地激勵其高階模態(tài)，獲得較高的品質因數，提高其檢測分辨率；采用濺射制作鉻薄膜，形成與鋁線圈布局一致，但有足夠的寬度和厚度的鉻線，完全覆蓋在鋁線圈的表面和側壁，形成良好的保護，這樣的保護方法避免了傳統介質鈍化層淀積形成應力引起的懸臂梁諧振頻率的變化，同時實現了驅動線圈有效可靠保護。
以懸臂梁的二階彎曲模態(tài)為例，說明本發(fā)明基本原理如下懸臂梁二階彎曲模態(tài)的模態(tài)函數為f(x)＝-cos(4.694x)+cosh(4.694x)+1.018·[sin(4.694x)-sinh(4.694x)]，其中x為懸臂梁長度方向上的相對坐標。其極點位置為x1＝0.475和x2＝1，極值分別為f(x1)＝1.442和f(x2)＝-2。這說明二階彎曲模態(tài)有兩個極點位置，且這兩處懸臂梁的振動方向相反。傳統的電磁激勵方法只能在x＝1處產生與該處振動方向相同的驅動力(如圖2(b)所示)，而優(yōu)化驅動線圈布局，在懸臂梁的兩個極點處布置線圈，并使線圈中的驅動電流方向相反，這樣將在兩個極點處都產生與該處二階彎曲模態(tài)懸臂梁振動方向相同的洛倫茲力(如圖2(c)所示)，更好地激勵懸臂梁的二階彎曲模態(tài)，從而獲得更高的品質因數，提高其性能。
圖3顯示了利用該優(yōu)化驅動方式獲得高品質因數的二階模態(tài)諧振式懸臂梁示意圖，詳細說明了這種優(yōu)化電磁驅動結構的技術特征。它由1.懸臂梁結構、2.振動敏感壓阻、3.優(yōu)化驅動線圈等部分組成。在外加磁場下，驅動線圈中的電流產生一個與懸臂梁振動方向一致的洛倫茲力，這個洛倫茲力驅動懸臂梁振動，位于懸臂梁根部的壓阻元件由于壓阻效應引起電阻發(fā)生變化，經惠斯通電橋后實現振動信號輸出，當驅動電流的頻率與懸臂梁二階模態(tài)的諧振頻率相同時，懸臂梁在二階彎曲模態(tài)諧振。驅動線圈布置為回形針形狀，在懸臂梁自由端和中部布置驅動線圈，中部的導線位于懸臂梁相對于長度的0.475倍處(如圖3所示)。由于懸臂梁自由端和中部的驅動線圈恰好位于懸臂梁二階彎曲模態(tài)的極點位置，且通過的電流方向始終相反，懸臂梁自由端和中部分別產生方向相反的兩個洛倫茲力，這兩個力的作用點和方向恰好與懸臂梁的二階彎曲振動模態(tài)函數曲線相匹配。因此，與傳統的只在懸臂梁自由端驅動的電磁激勵方式相比，這種優(yōu)化激勵結構和方式能夠更有效地激勵其二階彎曲模態(tài)，獲得更高的品質因數。此外，由于驅動線圈通常采用鋁薄膜制作，易被腐蝕，采用濺射工藝制作鉻薄膜，形成與鋁線圈布局一致，但有足夠的寬度和厚度的鉻線，完全覆蓋在鋁線圈的表面和側壁，形成鋁線鈍化層(如圖3所示)。這樣的保護方法避免了傳統介質鈍化層淀積形成應力對懸臂梁諧振頻率的影響，同時實現了驅動線圈有效可靠保護。
本發(fā)明的優(yōu)化驅動線圈可以通過改變光刻掩模版圖形，采用已有的金屬薄膜工藝，高精度地實現優(yōu)化驅動線圈的制作。以采用此優(yōu)化驅動方式的二階模態(tài)微機械懸臂梁的制作工藝詳述這種優(yōu)化驅動線圈及其鈍化層的實現方式如下(1)采用N型SOI(絕緣體上的硅)硅片，將頂層硅減薄至懸臂梁厚度，熱氧化形成表面氧化層。
(2)用光刻膠做掩模，光刻形成敏感電阻的圖形，采用離子注入工藝進行硼離子摻雜、在950℃-1150℃熱退火10-60分鐘活化注入的硼離子形成具有壓阻效應的敏感電阻，其方塊電阻值在100-250歐姆范圍內。
(3)用光刻膠做掩模，光刻形成壓阻引線孔圖形，用緩沖氫氟酸腐蝕掉氧化硅形成引線孔。濺射厚度在500納米以上的鋁薄膜，依次光刻、腐蝕、去膠，形成優(yōu)化布置的驅動線圈和壓阻引線。在450℃-550℃合金化與壓阻形成歐姆接觸。驅動線圈是依據懸臂梁二階模態(tài)振形函數曲線的極值位置精確計算設計的，利用光刻技術精確地形成驅動線圈的圖形。
(4)濺射300納米以上的鉻薄膜，依次光刻、腐蝕、去膠，形成完全覆蓋鋁線圈表面和側壁的鉻線圈，考慮到工藝誤差，鉻薄膜(即鉻線圈)的寬度比鋁線圈兩側各寬出0.5微米以上。
(5)用光刻膠做掩模，光刻形成懸臂梁結構圖形，采用深反應離子刻蝕工藝正面刻蝕，形成懸臂梁結構。背面用光刻膠做掩模，雙面光刻形成背面刻蝕圖形，采用深反應離子刻蝕工藝刻蝕體硅至SOI中間氧化層，用緩沖氫氟酸腐蝕掉SOI中間氧化層，釋放懸臂梁結構，完成懸臂梁器件制作。
由本發(fā)明提供的電磁激勵高階模態(tài)硅微機械懸臂梁的驅動結構，成功地應用于各種微量、痕量檢測和生化傳感器，其質量分辨率為3×10-14克。(詳見實施例1、2、3)綜上所述，本發(fā)明的主要優(yōu)點是(1)依據高階模態(tài)振形函數曲線，優(yōu)化線圈布置方式，產生與高階諧振模態(tài)振形函數曲線相匹配洛倫茲驅動力，更好地激勵懸臂梁的高階諧振模態(tài)。
(2)針對諧振式懸臂梁的諧振頻率對工藝過程中的應力敏感的特點，采用化學性質穩(wěn)定的金屬。例如鉻，作為鋁引線的鈍化層，避免了傳統鈍化層淀積后形成的應力引起的懸臂梁諧振頻率的變化，同時實現了驅動線圈有效可靠保護。
(3)本發(fā)明提供的優(yōu)化驅動結構不僅能檢測出濃度更低的被測物質而且又可用于各種生化傳感器，為交通樞紐的安檢、反恐提供新的技術檢測系統。


圖1傳統電磁激勵的驅動線圈布置方式。
圖2(a)基頻模態(tài)振形函數曲線與傳統電磁激勵方式產生的洛倫茲力示意2(b)二階模態(tài)振形函數曲線與傳統電磁激勵方式產生的洛倫茲力示意圖。
圖2(c)二階模態(tài)振形函數曲線與優(yōu)化電磁激勵置方式產生的洛倫茲力示意圖。
圖3采用本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵方式的二階模態(tài)諧振式硅微機械壓阻懸臂梁立體示意圖。
圖4采用本發(fā)明的具有優(yōu)化電磁激勵方式的二階模態(tài)諧振式硅微機械壓阻懸臂梁制作工藝流程圖。
(a)SOI硅片氧化；(b)壓阻制作，腐蝕出引線孔；(c)制作鋁壓阻引線和驅動線圈；(d)濺射鉻鈍化層；(e)蒸發(fā)金薄膜；(f)正面和背面刻蝕，釋放懸臂梁結構。
圖5(a)采用本發(fā)明的具有優(yōu)化電磁激勵方式的二階模態(tài)諧振式硅微機械壓阻懸臂梁生化傳感器掃描電鏡照片。
圖5(b)采用傳統電磁激勵方式的諧振式硅微機械壓阻懸臂梁生化傳感器掃描電鏡照片。
圖6采用本發(fā)明的具有優(yōu)化電磁激勵方式的二階模態(tài)諧振式硅微機械壓阻懸臂梁生化傳感器和采用傳統電磁激勵方式的諧振式硅微機械壓阻懸臂梁生化傳感器的品質因數。
圖7采用本發(fā)明的的具有優(yōu)化電磁激勵方式的二階模態(tài)諧振式硅微機械壓阻懸臂梁生化傳感器和采用傳統電磁激勵方式的諧振式硅微機械壓阻懸臂梁生化傳感器的頻率穩(wěn)定度和質量分辨率。
圖中B-恒定磁場 i-驅動電流F-洛倫茲力 -電流流入紙面1-懸臂梁結構2-敏感壓阻組成的惠斯通電橋3-驅動線圈 4-鋁線5-完全覆蓋鋁線上表面和側壁的鉻薄膜 6-懸臂梁襯底具體實施方式
下面通過具體實施的幾個器件為例，進一步闡明本發(fā)明的實質性特點和顯著進步，但本發(fā)明并非僅限于所述實例。
實施例1，TNT傳感器以一個用于TNT(三硝基甲苯)痕量檢測的二階模態(tài)諧振式硅微機械壓阻懸臂梁傳感器為例詳細說明該優(yōu)化驅動結構的效果和實施方式。傳感器工作原理如下在懸臂梁表面的金薄膜襯底上固定選擇性吸附膜，當TNT分子通過選擇性吸附作用被該選擇性吸附膜吸附到懸臂梁表面時，懸臂梁的有效質量增加，諧振頻率降低，通過檢測諧振頻率的變化量就可以測量待測物的含量。采用本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵的結構的二階模態(tài)諧振式硅微機械壓阻懸臂梁傳感器具有比傳統電磁激勵方式的傳感器更高的質量分辨率，能夠探測到濃度更低的TNT，這為機場、車站、港口、海關等交通樞紐和重要地點的安檢和反恐提供了更加有效、可靠的技術檢測手段，對保障公共安全具有重要意義。
在該器件中，質量檢測分辨率是諧振式傳感器的最重要的性能指標，它決定于諧振式懸臂梁的品質因數和有效質量。高階模態(tài)下懸臂梁在不增加有效質量的情況下能獲得較高的品質因數，因而能有效改善其質量分辨率。采用了本發(fā)明的優(yōu)化電磁驅動結構的懸臂梁，懸臂梁設計長度為300微米、寬度為100微米、厚度為3微米。鋁線圈布置如圖3所示，鋁厚度為700納米，寬度5微米，懸臂梁中部的鋁線中心位于懸臂梁固支端142.5微米處，即懸臂梁相對長度的0.475倍。鉻薄膜厚度為500納米，寬度7微米，鉻線比鋁線寬度兩側各寬出1微米。四個壓阻組成惠斯通電橋輸出懸臂梁振動信號。將一永磁體與懸臂梁封裝在一起，固定于懸臂梁前端，產生的磁場與懸臂梁長度方向一致。性能指標為基頻諧振頻率為49kHz，二階彎曲諧振模態(tài)諧振頻率為303kHz，諧振頻率穩(wěn)定度6×10-7。在此恒定磁場作用下，懸臂梁上的優(yōu)化布置驅動線圈通交流電流產生與二階模態(tài)振形函數曲線相匹配的位于懸臂梁自由端和中部的兩個洛倫茲力驅動懸臂梁振動，當驅動電流與懸臂梁二階彎曲諧振頻率相同時，懸臂梁在二階彎曲模態(tài)下諧振，其質量檢測分辨率為3×10-14克。
器件制作工藝流程如圖4所示，并詳述如下(a)采用N型SOI(絕緣體上的硅)硅片，將頂層硅減薄至懸臂梁厚度，熱氧化形成2000埃的氧化層。
(b)用光刻膠做掩模，光刻出敏感電阻的圖形，采用離子注入工藝進行硼離子摻雜、在1000℃退火30分鐘活化注入的硼離子形成具有壓阻效應的敏感電阻，其方塊電阻值為160歐姆。
(c)用光刻膠做掩模，光刻出壓阻引線孔圖形，用緩沖氫氟酸腐蝕掉氧化硅形成引線孔。濺射厚度在7000埃以上的鋁薄膜，依次光刻、腐蝕、去膠，同時形成優(yōu)化布置的驅動線圈和壓阻引線。在480℃合金化30分鐘與壓阻形成歐姆接觸。驅動線圈是依據懸臂梁二階模態(tài)振形函數曲線的極值位置精確計算設計的，利用光刻技術精確地形成驅動線圈的圖形。
(d)濺射5000埃以上的鉻薄膜，依次光刻、腐蝕、去膠，形成完全覆蓋鋁線圈表面和側壁的鉻線圈，考慮到工藝誤差，鉻薄膜的寬度比鋁薄膜兩側各寬出1微米。
(e)在硅片上涂光刻膠，光刻顯影，蒸發(fā)金薄膜，采用剝離工藝形成金薄膜。
(f)用光刻膠做掩模，光刻形成懸臂梁結構圖形，采用深反應離子刻蝕工藝正面刻蝕，形成懸臂梁結構。背面用光刻膠做掩模，雙面光刻形成背面刻蝕圖形，采用深反應離子刻蝕工藝刻蝕體硅至SOI中間氧化層，用緩沖氫氟酸腐蝕掉SOI中間氧化層，釋放懸臂梁結構，完成懸臂梁器件制作。
圖5(a)給出了經過上述工藝的采用優(yōu)化電磁激勵方式的二階模態(tài)硅微機械懸臂梁傳感器的電鏡照片，圖5(b)給出了采用傳統電磁激勵方式的硅微機械懸臂梁生化傳感器的電鏡照片。這兩種懸臂梁尺寸一致、采用同樣的工藝同時流片制成。為了對比采用優(yōu)化電磁激勵方式對二階模態(tài)硅微機械懸臂梁的性能影響，圖6和圖7分別給出了采用這兩種電磁激勵方式的懸臂梁的品質因數和質量分辨率。從圖6給出的測試結果可以看出，采用傳統的電磁激勵方式，懸臂梁的二階模態(tài)品質因數是307；而采用優(yōu)化電磁激勵方式，懸臂梁的二階模態(tài)品質因數達到857，相比傳統的電磁激勵方式提高了1.8倍。圖7給出了這兩種懸臂梁的諧振頻率穩(wěn)定度，質量分別率等于諧振頻率相對穩(wěn)定度與懸臂梁等效質量之積。在本實施例中，懸臂梁的有效質量是5.25×10-8克。測量到傳統電磁激勵方式的懸臂梁二階模態(tài)下頻率相對穩(wěn)定度是1.16×10-6，而本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵方式的頻率相對穩(wěn)定度是0.57×10-6，質量分辨率分別為6×10-14克和3×10-14克。這說明了采用優(yōu)化電磁激勵方式，提高了二階彎曲模態(tài)懸臂梁的品質因數和質量分辨率，顯著改善了器件的性能。
實施例2，親和素生化傳感器以一個用于親和素痕量檢測的二階模態(tài)諧振式硅微機械壓阻懸臂梁傳感器為例詳細說明該優(yōu)化驅動方式的效果和實施方式。親和素(avidin)是一種糖蛋白，分子量6萬，可用于蛋白質、糖等大分子的間接包被，這種包被法不僅可增加吸附的抗體或抗原量，而且使其結合點充分暴露。生物素(biotin)又稱維生素H，分子量244，存在于蛋黃中，親和素與生物素的結合，雖不屬免疫反應，但特異性強，親和力大，兩者一經結合就極為穩(wěn)定。器件工作原理如下在懸臂梁表面的金薄膜襯底上通過巰基化合物自組裝膜固定生物素分子探針，當親和素分子與固定在懸臂梁表面的生物素結合時，懸臂梁的有效質量增加，諧振頻率降低，通過檢測諧振頻率的變化量就可以測量親和素的含量。采用本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵方式的二階模態(tài)諧振式硅微機械壓阻懸臂梁傳感器具有比傳統電磁激勵方式的傳感器更高的質量分辨率，能夠探測到含量更少的親和素。這種技術對于實現疾病早期診斷具有重要意義。
在該器件中，質量檢測分辨率是諧振式傳感器的最重要的性能指標，它取決于諧振式懸臂梁的品質因數和有效質量。高階模態(tài)下懸臂梁在不增加有效質量的情況下能獲得較高的品質因數，因而能有效改善其質量分辨率。采用了本發(fā)明的優(yōu)化電磁驅動方式的懸臂梁，懸臂梁設計長度為300微米、寬度為100微米、厚度為3微米。鋁線圈布置如圖3所示，鋁厚度為700納米，寬度5微米，懸臂梁中部的鋁線中心位于懸臂梁固支端142.5微米處，即懸臂梁相對長度的0.475倍。鉻薄膜厚度為500納米，寬度7微米，鉻線比鋁線寬度兩側各寬出1微米。四個壓阻組成惠斯通電橋輸出懸臂梁振動信號。將一永磁體與懸臂梁封裝在一起，固定于懸臂梁前端，產生的磁場與懸臂梁長度方向一致。性能指標為基頻諧振頻率為49kHz，二階彎曲諧振模態(tài)諧振頻率為303kHz，諧振頻率穩(wěn)定度6×10-7。在此恒定磁場作用下，懸臂梁上的優(yōu)化布置驅動線圈通交流電流產生與二階模態(tài)振形函數曲線相匹配的位于懸臂梁自由端和中部的兩個洛倫茲力驅動懸臂梁振動，當驅動電流與懸臂梁二階彎曲諧振頻率相同時，懸臂梁在二階彎曲模態(tài)下諧振。
器件制作工藝流程同實施例1，如圖4所示。
如圖7所示，采用傳統的電磁激勵方式，二階模態(tài)懸臂梁的質量分辨率為6×10-14克，而采用本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵方式，其質量檢測分辨率為3×10-14克，這樣的質量分辨率能夠實現單細胞檢測。
實施實例3，DNA識別生化傳感器以一個用于DNA識別的二階模態(tài)諧振式硅微機械壓阻懸臂梁傳感器為例詳細說明該優(yōu)化驅動方式的應用和實施方式。DNA(脫氧核糖核酸)是生物基本遺傳物質，DNA識別對于基因組學、疾病研究和診斷具有非常重要的意義。DNA是雙螺旋結構，兩個堿基單鏈通過氫鍵纏繞在一起。在一定條件下，兩個單鏈通過雜交反應結合在一起組成雙螺旋結構，這種反應具有高度的選擇性，識別能力非常強。用于DNA識別的器件工作原理如下在懸臂梁表面的固定一個DNA單鏈作為識別探針，當存在與該堿基單鏈完全匹配的另一個堿基單鏈時，通過雜交反應形成DNA雙鏈結構，結合在懸臂梁表面，使懸臂梁的有效質量增加，諧振頻率降低，通過檢測諧振頻率的變化量就可以測量該堿基單鏈的含量。采用本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵方式的二階模態(tài)諧振式硅微機械壓阻懸臂梁傳感器具有比傳統電磁激勵方式的傳感器更高的質量分辨率，只需要更少量、更低濃度的樣本就可以完成測試。
在該器件中，質量檢測分辨率是諧振式傳感器的最重要的性能指標，它取決于諧振式懸臂梁的品質因數和有效質量。高階模態(tài)下懸臂梁在不增加有效質量的情況下能獲得較高的品質因數，因而能有效改善其質量分辨率。采用了本發(fā)明的優(yōu)化電磁驅動方式的懸臂梁，懸臂梁設計長度為300微米、寬度為100微米、厚度為3微米。鋁線圈布置如圖3所示，鋁厚度為700納米，寬度5微米，懸臂梁中部的鋁線中心位于懸臂梁固支端142.5微米處，即懸臂梁相對長度的0.475倍。鉻薄膜厚度為500納米，寬度7微米，鉻線比鋁線寬度兩側各寬出1微米。四個壓阻組成惠斯通電橋輸出懸臂梁振動信號。將一永磁體與懸臂梁封裝在一起，固定于懸臂梁前端，產生的磁場與懸臂梁長度方向一致。性能指標為基頻諧振頻率為49kHz，二階彎曲諧振模態(tài)諧振頻率為303kHz，諧振頻率穩(wěn)定度6×10-7。在此恒定磁場作用下，懸臂梁上的優(yōu)化布置驅動線圈通交流電流產生與二階模態(tài)振形函數曲線相匹配的位于懸臂梁自由端和中部的兩個洛倫茲力驅動懸臂梁振動，當驅動電流與懸臂梁二階彎曲諧振頻率相同時，懸臂梁在二階彎曲模態(tài)下諧振。
器件制作工藝流程同實例1，如圖4所示。
如圖7所示，采用傳統的電磁激勵方式，二階模態(tài)懸臂梁的質量分辨率為6×10-14克，而采用本發(fā)明的優(yōu)化電磁激勵的驅動結構，其質量檢測分辨率為3×10-14克，這樣的質量分辨率能夠檢測到只要5000個多瘤病毒的DNA分子，就可以完成檢測，由于樣品需求量和濃度要求少，所以對于早期疾病診斷和環(huán)境檢測都要非常廣泛的應用前景。
權利要求
1.一種電磁激勵高階模態(tài)諧振硅微機械懸臂梁的驅動結構，由懸臂梁和振動敏感壓組成，其特征在于懸臂梁上的驅動線圈布置為回形針形狀，在懸臂梁自由端和中部布置驅動線圈，位于懸臂梁二階彎曲模態(tài)的極點位置。
2.按權利要求1所述的電磁激勵高階模態(tài)諧振硅微機械懸臂梁的驅動結構，其特征在于所述的懸臂梁二階彎曲模態(tài)的模態(tài)函數為f(x)＝-cos(4.694x)+cosh(4.694x)+1.018·[sin(4.694x)-sinh(4.694x)]，其中x為懸臂梁長度方向上的相對坐標；其極點位置為x1＝0.475和x2＝1，極值分別為f(x1)＝1.442和f(x2)＝-2。
3.按權利要求1所述的電磁激勵高階模態(tài)諧振硅微機械懸臂梁的驅動結構，其特征在于懸臂梁自由端和中部分別產生方向相反的兩個洛倫茲力。
4.按權利要求1所述的電磁激勵高階模態(tài)諧振硅微機械懸臂梁的驅動結構，其特征在于驅動線圈為鋁薄膜，在其上有與鋁薄膜布局一致的鉻薄膜，完全覆蓋在鋁薄膜的表面和側壁，形成鋁薄膜純化層。
5.按權利要求4所述的電磁激勵高階模態(tài)諧振硅微機械懸臂梁的驅動結構，其特征在于鉻薄膜厚度大于300納米，鉻薄膜的寬度比鋁薄膜兩側各寬出0.5微米以上。
6.制作如權利要求1所述的電磁激勵高階模態(tài)諧振硅微機械懸臂梁的驅動結構的方法，其特征在于通過改變光刻掩膜版圖形，采用已有的金屬薄膜工藝，高精度地實現優(yōu)化驅動線圈的制作，工藝步驟是(1)采用N型絕緣體上的硅的硅片，將頂層硅減薄至懸臂梁厚度，熱氧化形成表面氧化層；(2)用光刻膠做掩模，光刻形成敏感電阻的圖形，采用離子注入工藝進行硼離子摻雜、在950℃-1150℃熱退火10-60分鐘活化注入的硼離子形成具有壓阻效應的敏感電阻，其方塊電阻值在100-250歐姆范圍內；(3)用光刻膠做掩模，光刻形成壓阻引線孔圖形，用緩沖氫氟酸腐蝕掉氧化硅形成引線孔；濺射厚度在500納米以上的鋁薄膜，依次光刻、腐蝕、去膠，形成優(yōu)化布置的驅動線圈和壓阻引線；在450℃-550℃合金化與壓阻形成歐姆接觸；驅動線圈是依據懸臂梁二階模態(tài)振形函數曲線的極值位置精確計算設計的，利用光刻技術精確地形成驅動線圈的圖形；(4)濺射300納米以上的鉻薄膜，依次光刻、腐蝕、去膠，形成完全覆蓋鋁薄膜表面和側壁的鉻薄膜，考慮到工藝誤差，鉻薄膜的寬度比鋁薄膜兩側各寬出0.5微米以上；(5)用光刻膠做掩模，光刻形成懸臂梁結構圖形，采用深反應離子刻蝕工藝正面刻蝕，形成懸臂梁結構，背面用光刻膠做掩模，雙面光刻形成背面刻蝕圖形，采用深反應離子刻蝕工藝刻蝕體硅至絕緣層上層的硅的中間氧化層，用緩沖氫氟酸腐蝕掉絕緣層上層的硅的中間氧化層，釋放懸臂梁結構，完成懸臂梁器件制作。
7.按權利要求6所述的電磁激勵高階模態(tài)諧振硅微機械懸臂梁的驅動結構的制作方法，其特征在于設計的懸臂梁長度為300微米、寬度為100微米、厚度為3微米，鋁厚度為700納米，寬度5微米，懸臂梁中部的鋁薄膜中心位于懸臂梁固支端142.5微米處，即懸臂梁相對長度的0.475倍；鉻薄膜厚度為500納米，寬度7微米，鉻薄膜比鋁薄膜寬度兩側各寬出1微米；四個壓阻組成惠斯通電橋輸出懸臂梁振動信號；將一永磁體與懸臂梁封裝在一起，固定于懸臂梁前端，產生的磁場與懸臂梁長度方向一致。
8.按權利要求1所述的電磁激勵高階模態(tài)諧振硅微機械懸臂梁的驅動結構的應用，其特征在于三硝基甲苯痕量檢測、親和素生化傳感器和脫氧核糖酸識別生化傳感器，其質量檢測分辨率為3×10-14克。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于電磁激勵高階模態(tài)諧振硅微機械懸臂梁的驅動結構、制作方法及應用，屬微機械傳感器技術領域；其特征在于采用與懸臂梁高階諧振模態(tài)的振動函數曲線相匹配的優(yōu)化布置電磁激勵線圈，產生與該模態(tài)懸臂梁相應位置運動方向相同的洛倫茲力驅動懸臂梁振動，更好地激勵懸臂梁的高階諧振模態(tài)，提高懸臂梁的品質因數和質量分辨率；同時用濺射制作與驅動鋁線圈布局一致，但有足夠的寬度和厚度的鉻薄膜，確保完全覆蓋在鋁線圈的表面和側壁，形成良好的保護，避免了傳統介質鈍化層淀積后形成的應力引起的懸臂梁諧振頻率的變化，同時實現了驅動線圈的有效可靠保護；本發(fā)明特點是結構簡單、制作方便、容易實現。
文檔編號B81C1/00GK1880211SQ200610023320
公開日2006年12月20日 申請日期2006年1月13日 優(yōu)先權日2006年1月13日
發(fā)明者李昕欣, 金大重, 劉劍, 左國民, 劉民 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所