專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于微電子機(jī)械技術(shù)的電磁微扭擺諧振式傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)械傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于微電子機(jī)械技術(shù)
(MEMS)的電磁微扭擺結(jié)構(gòu)諧振式傳感器。
背景技術(shù)：
微機(jī)械懸臂梁的固有諧振頻率取決于懸臂梁的等效剛度及等效質(zhì)量 兩個(gè)參量，任何能夠引起這兩個(gè)參量改變的待測(cè)量都可通過(guò)測(cè)量微懸臂 梁固有諧振頻率的變化達(dá)到檢測(cè)的目的。諧振式微懸臂梁在生化傳感器 方面的典型應(yīng)用是作為質(zhì)量敏感器，在懸臂梁上制作的生化敏感層特意 性吸附生化分子后，懸臂梁等效質(zhì)量的變化導(dǎo)致懸臂梁諧振頻率改變， 測(cè)量諧振頻率的變化量就可實(shí)現(xiàn)待測(cè)物的定量分析。諧振式微懸臂梁傳 感器具有檢測(cè)靈敏度高、分辨率好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快以及直接數(shù)字量輸出等 優(yōu)點(diǎn)，成為生物化學(xué)傳感器的一個(gè)重要研究方向，但由于受粘性液體阻 尼、非特異性吸附干擾、MEMS工藝兼容性以及液體中激勵(lì)和檢測(cè)方式 的選取等因素的影響，諧振式微懸臂梁在液相生化分析和生物傳感等領(lǐng) 域的應(yīng)用受到了很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有技術(shù)中微扭擺在液相中振動(dòng)時(shí)阻尼易造成能量損耗，使傳感器 的品質(zhì)因數(shù)下降；由于溫度、薄膜內(nèi)應(yīng)力等外界因素效應(yīng)易造成系統(tǒng)誤 差；為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于微電子機(jī)械技術(shù) (MEMS)的微扭擺結(jié)構(gòu)諧振式傳感器。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明基于微電子機(jī)械技術(shù)的電磁微扭擺諧 振式傳感器解決問(wèn)題的技術(shù)方案是在襯底上有
一第一微扭擺諧振器，用于輸出可變的第一諧振頻率，及
一第二微扭擺諧振器，用于輸出固定的第二諧振頻率；一框架，用于將第一微扭擺諧振器和第二微扭擺諧振器相連接。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一微扭擺諧振器與第二微扭擺諧振器結(jié)構(gòu) 相同、并列放置，用于輸出差分諧振頻率。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述微扭擺諧振式傳感器采用微電子機(jī)械工 藝在單晶硅襯底上制作而成。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一微扭擺諧振器和第二微扭擺諧振器及框 架的材料是絕緣介質(zhì)材料或帶絕緣介質(zhì)層的單晶硅或多晶硅。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，框架的絕緣介質(zhì)材料選擇二氧化硅或氮化硅;
帶絕緣介質(zhì)層的單晶硅、多晶硅選擇二氧化硅、氮化硅或氮氧硅。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一微扭擺諧振器和第二微扭擺諧振器中任
一個(gè)包括
一對(duì)拾振電極及與其連接的拾振電極導(dǎo)線位于框架、擺片和擺軸的 上表面，通過(guò)拾振電極導(dǎo)線與一對(duì)拾振電極連接；
一敏感層位于框架中部的擺片的絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層上，用于檢測(cè)
微量生化分子；
一對(duì)電磁激勵(lì)電極及與其連接的電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線位于框架、擺片 和擺軸的上表面，通過(guò)電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線連接一對(duì)電磁激勵(lì)電極； 一擺片，擺片兩端面分別位于兩個(gè)擺軸的一端之間； 兩個(gè)擺軸的另一端分別與框架相連；
一絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層，位于框架上，并且覆蓋除電磁激勵(lì)電極和 拾振電極以外的整個(gè)區(qū)域，用于保護(hù)電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線和拾振電極導(dǎo)線。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第一微扭擺諧振器上的第一敏感層采用敏感 膜，用于產(chǎn)生與待測(cè)物相關(guān)的諧振頻率輸出信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第二微扭擺諧振器上的第二敏感層采用非敏 感層膜，用于只產(chǎn)生與待測(cè)物不相關(guān)的諧振頻率參比信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，拾振電極、拾振電極導(dǎo)線、電磁激勵(lì)電極、 電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線通過(guò)濺射或蒸發(fā)金屬于框架、擺片及擺軸上表面通過(guò) 光刻而形成。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在除電磁激勵(lì)電極和拾振電極以外的區(qū)域之 上采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制作絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層、拾振電極導(dǎo)線和電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線并被絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層覆蓋。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層是二氧化硅、或氮化硅 和氮氧硅。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層上制作敏感層的敏感 膜，鈍化處理制作敏感層的非敏感膜。
本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明采用電磁激勵(lì)和電磁拾振的閉環(huán)自激系統(tǒng)使微扭擺諧振 傳感器工作于扭轉(zhuǎn)諧振模態(tài)，并應(yīng)用閉環(huán)反饋技術(shù)補(bǔ)充微扭擺在液相中 振動(dòng)時(shí)阻尼造成的能量損耗，提高傳感器的品質(zhì)因數(shù)。
2、 本發(fā)明設(shè)置兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的微扭擺諧振器，并采用差動(dòng)輸 出，有效抑制由于溫度、薄膜內(nèi)應(yīng)力等外界因素效應(yīng)造成的誤差。
3、 本發(fā)明提出一種夾心式微電極，電磁激振和拾振線圈均采用蒸 發(fā)或?yàn)R射的薄膜金屬電極制作，并采用鈍化介質(zhì)絕緣材料保護(hù)，具有制 作工藝簡(jiǎn)單，適用于液相工作等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明可作為生化傳感器用于檢測(cè)微量生化分子，尤其適用于液態(tài) 條件的生化檢測(cè)和傳感。


圖1是本發(fā)明電磁微扭擺諧振式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明電磁微扭擺諧振式傳感器其中一個(gè)微扭擺諧振器的結(jié) 構(gòu)示意圖
圖3是本發(fā)明絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層10的示意圖
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)指出的是，所描述的實(shí) 施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
如圖1是本發(fā)明基于微電子機(jī)械技術(shù)(MEMS)的電磁微扭擺諧振 式傳感器的實(shí)施例，由兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的第一微扭擺諧振器1和第二微扭 擺諧振器2、襯底3及框架4組成，并采用微電子機(jī)械工藝在單晶硅襯 底3上制作而成。第一微扭擺諧振器1和第二微扭擺諧振器2及框架4的材料是絕緣 介質(zhì)材料或帶絕緣介質(zhì)層的單晶硅、多晶硅。例如絕緣介質(zhì)材料采用二 氧化硅或氮化硅；例如帶絕緣介質(zhì)層的單晶硅、多晶硅采用二氧化硅、 氮化硅或氮氧硅等。襯底3采用矩形硅襯底。第一微扭擺諧振器1、第二微扭擺諧振器2和框架4對(duì)稱(chēng)分布并列 放置于襯底3的上表面，第一微扭擺諧振器1、第二微扭擺諧振器2分 別與框架4連接。第一微扭擺諧振器1與第二微扭擺諧振器2結(jié)構(gòu)相同、 并列放置，用于輸出差分諧振頻率。第一微扭擺諧振器1和第二微扭擺 諧振器2通過(guò)電磁激勵(lì)和拾振方式，均工作于諧振扭轉(zhuǎn)模態(tài)，以諧振頻 率作為輸出。第一微扭擺諧振器1，吸附待測(cè)生化分子后，等效質(zhì)量改 變，從而輸出變化的第一諧振頻率，第二微扭擺諧振器2，不吸附待測(cè) 生化分子，等效質(zhì)量不改變，輸出固定的第二諧振頻率。通過(guò)測(cè)量第一 微扭擺諧振器1和第二微扭擺諧振器2諧振頻率的差，就可實(shí)現(xiàn)待測(cè)生 化分子的定量分析。如圖2本發(fā)明一種電磁微扭擺諧振式傳感器其中一個(gè)第一微扭擺諧 振器1或第二微扭擺諧振器2的結(jié)構(gòu)示意圖所示，包括拾振電極5、 敏感層6、電磁激勵(lì)電極7、擺片8和擺軸9，每個(gè)微扭擺諧振器在框架 4的兩端以及框架4的擺片8和擺軸9之上面置有敏感層6、拾振電極5 和電磁激勵(lì)電極7，敏感層6位于在擺片8之上。第一微扭擺諧振器1 和第二微扭擺諧振器2中任一個(gè)的具體形式為一對(duì)拾振電極5及與其連接的拾振電極導(dǎo)線5a位于框架4、擺片8 和擺軸9的上表面，通過(guò)拾振電極導(dǎo)線5a與一對(duì)拾振電極5連接，用于 拾取由于擺片8繞擺軸9的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)切割磁力線而產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)；一對(duì)敏感層6位于框架4中部的擺片8的絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層10 上，用于檢測(cè)微量生化分子；一對(duì)電磁激勵(lì)電極7及與其連接的電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線7a位于框架 4、擺片8和擺軸9的上表面，通過(guò)電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線7a連接一對(duì)電磁 激勵(lì)電極7，用于提供交變電流，在洛侖茲力作用下電磁激勵(lì)電極7產(chǎn) 生電磁力扭矩；一擺片8，擺片8兩端面分別位于兩個(gè)擺軸9的一端之間，用于接受電磁力扭矩并產(chǎn)生繞擺軸9的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；一對(duì)擺軸9的另一端分別與框架4相連；一絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層10，位于框架4上，并且覆蓋除電磁激勵(lì)電極7和拾振電極5以外的整個(gè)區(qū)域，用于保護(hù)電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線7a和拾 振電極導(dǎo)線5a。所述第一微扭擺諧振器1和第二微扭擺諧振器2采用電磁激勵(lì)和電 磁檢測(cè)，當(dāng)有交變的電流I通過(guò)電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線7a時(shí)，位于擺片8 — 端上的電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線7a在外加磁場(chǎng)B的洛倫茲力F的作用下，產(chǎn) 生繞兩擺軸9的扭矩，該扭矩驅(qū)使擺片8工作于具有比彎曲模態(tài)較高品 質(zhì)因素的扭轉(zhuǎn)模態(tài)，擺片8另一端上的電磁拾振電極導(dǎo)線5a跟隨擺片8 作扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)切割磁力線產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)外加電路拾取、放 大該信號(hào)，并反饋到電磁激勵(lì)電極7的輸入端，形成閉環(huán)自激，輸出諧 振頻率。所述的電磁激勵(lì)電極7、電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線7a、拾振電極5和拾振 電極導(dǎo)線5a是通過(guò)濺射或蒸發(fā)金屬于框架4及第一微扭擺諧振器1和第 二微扭擺諧振器2上表面通過(guò)光刻而形成。在除電磁激勵(lì)電極7和拾振電極5以外的區(qū)域之上采用等離子增強(qiáng) 化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法制作二氧化硅、氮化硅或氮氧硅等絕緣介 質(zhì)鈍化保護(hù)層10以保護(hù)電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線7a和拾振電極導(dǎo)線5a，在絕 緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層10上制作第一敏感層6和第二敏感層6，第一敏感層 6和第二敏感層6制成敏感膜和非敏感膜(敏感膜鈍化處理)，以保證在 液態(tài)條件下的正常工{1^如圖3絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層10的示意圖。第一微扭擺諧振器1上的第一敏感層6采用敏感膜，敏感膜特意性 吸附生化分子后，第一微扭擺諧振器1等效質(zhì)量變化導(dǎo)致其諧振頻率改 變，產(chǎn)生與待測(cè)物相關(guān)的諧振頻率輸出信號(hào)。第二微扭擺諧振器2上的第二敏感層6采用非敏感層膜(敏感膜鈍 化處理)，不特意性吸附生化分子，第二微扭擺諧振器2等效質(zhì)量不發(fā)生 變化，其諧振頻率不改變，只產(chǎn)生與待測(cè)物不相關(guān)的諧振頻率參比信號(hào)。 二者構(gòu)成差分檢測(cè)，有效抑制由于溫度等外界因素效應(yīng)造成的誤差。測(cè)量第一微扭擺諧振器1和第二微扭擺諧振器2的諧振頻率的差就可實(shí)現(xiàn)待測(cè)物的定量分析。本發(fā)明的制作基于體硅微機(jī)械加工技術(shù)。實(shí)施方案l:采用介質(zhì)層作為扭擺材料，制作過(guò)程中需要四次光刻， 最大的特點(diǎn)是工藝制作簡(jiǎn)單。制作過(guò)程簡(jiǎn)述如下-1) 硅片表面介質(zhì)層(二氧化硅及低應(yīng)力氮化硅)2 3)im生長(zhǎng)；2) 激勵(lì)和拾振金屬電極(Cr+Au， 0.2pm)蒸發(fā)或?yàn)R射生長(zhǎng)及圖形化；3) 鈍化介質(zhì)保護(hù)層(0.5 lpm ) PECVD生長(zhǎng)；4) 敏感層生長(zhǎng)及圖形化；5) 背面硅深刻蝕至二氧化硅介質(zhì)層；6) 正面介質(zhì)層反應(yīng)等離子刻蝕(RIE)以釋放微扭擺結(jié)構(gòu)。實(shí)施方案2:采用SOI (Silicon On Insulator)基片，以SOI的器件 層(2 3pm)作為微扭擺材料。與實(shí)施方案1類(lèi)似1) SOI (Silicon On Insulator)基片氧化；2) 激勵(lì)和拾振金屬電極(Cr+Au， 0.2pm)蒸發(fā)或?yàn)R射生長(zhǎng)及圖形化；3) 鈍化介質(zhì)保護(hù)層(0.5~lpm ) PECVD生長(zhǎng)；4) 敏感層生長(zhǎng)及圖形化；5) 背面硅深刻蝕至二氧化硅介質(zhì)層；6) 正面介質(zhì)層及SOI的器件層反應(yīng)等離子刻蝕(RIE)及深刻蝕以 釋放微扭擺結(jié)構(gòu)。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并 不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理 解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā) 明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種基于微電子機(jī)械技術(shù)的電磁微扭擺諧振式傳感器，其特征在于，包括在襯底(3)上有一第一微扭擺諧振器(1)，用于輸出可變的第一諧振頻率，及一第二微扭擺諧振器(2)，用于輸出固定的第二諧振頻率；一框架(4)，用于將第一微扭擺諧振器(1)和第二微扭擺諧振器(2)相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，還包括第一微扭 擺諧振器(1)與第二微扭擺諧振器(2)結(jié)構(gòu)相同、并列放置，用于輸 出差分諧振頻率。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述微扭擺諧振式傳感器采用微電子機(jī)械工藝在單晶硅襯底(3)上制作而成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第一微扭擺諧 振器1和第二微扭擺諧振器(2)及框架(4)的材料是絕緣介質(zhì)材料或 帶絕緣介質(zhì)層的單晶硅或多晶硅；所述絕緣介質(zhì)材料選擇二氧化硅或氮 化硅；所述帶絕緣介質(zhì)層的單晶硅、多晶硅選擇二氧化硅、氮化硅或氮 氧硅。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，第一微扭擺諧振器 (1)和第二微扭擺諧振器(2)中任一個(gè)包括一對(duì)拾振電極(5)及與其連接的拾振電極導(dǎo)線(5a)位于框架(4)、 擺片(8)和擺軸(9)的上表面，通過(guò)拾振電極導(dǎo)線(5a)連接一對(duì)拾 振電極(5);一敏感層(6)位于框架(4)中部的擺片(8)的絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù) 層(10)上，用于檢測(cè)微量生化分子；一對(duì)電磁激勵(lì)電極(7)及與其連接的電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線(7a)位于 框架(4)、擺片(8)和擺軸(9)的上表面，通過(guò)電磁激勵(lì)電極導(dǎo)線(7a) 連接一對(duì)電磁激勵(lì)電極(7);一擺片(8)的兩端面分別位于兩個(gè)擺軸(9)的一端之間；一對(duì)擺軸(9)的另一端分別與框架(4)相連；一絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層(10)，位于框架(4)上，并且覆蓋除電磁激勵(lì)電極(7)和拾振電極(5)以外的整個(gè)區(qū)域，用于保護(hù)電磁激勵(lì)電 極導(dǎo)線(7a)和拾振電極導(dǎo)線(5a)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于，還包括第一微扭 擺諧振器(1)上的第一敏感層(6)采用敏感膜，用于產(chǎn)生與待測(cè)物相 關(guān)的諧振頻率輸出信號(hào)，在絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層(10)上制作敏感層(6) 的敏感膜。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于，還包括第二微扭 擺諧振器(2)上的第二敏感層(6)采用非敏感層膜，用于只產(chǎn)生與待 測(cè)物不相關(guān)的諧振頻率參比信號(hào)，鈍化處理制作敏感層(6)的非敏感膜。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于，在除電磁激勵(lì)電極 (7)和拾振電極(5)以外的區(qū)域之上采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積制作絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù)層(10)，以保護(hù)拾振電極導(dǎo)線(5a)和電磁激勵(lì)電 極導(dǎo)線(7a)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器，其特征在于，絕緣介質(zhì)鈍化保護(hù) 層(10)是二氧化硅、或氮化硅和氮氧硅。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種基于微電子機(jī)械的微結(jié)構(gòu)諧振式傳感器，由兩個(gè)微扭擺諧振器并列放置，微扭擺諧振器上有檢測(cè)用敏感層膜，另一微扭擺諧振器上有差分檢測(cè)的非敏感層膜。每個(gè)微扭擺諧振器由擺軸和分布在擺軸兩邊的擺片組成，擺片上布置電磁激勵(lì)線圈和拾振線圈。注入電流的激勵(lì)線圈在外加磁場(chǎng)洛倫茲力作用下，產(chǎn)生繞擺軸的扭矩，驅(qū)使扭擺的振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)通過(guò)拾振線圈切割磁力線產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)拾取，并反饋到激勵(lì)線圈，形成閉環(huán)自激，輸出諧振頻率。本發(fā)明工作于扭轉(zhuǎn)模態(tài)，提高了品質(zhì)因素，差動(dòng)輸出抑制了由于溫度等外界因素效應(yīng)造成的誤差，工藝簡(jiǎn)單，檢測(cè)靈敏度高，可作為生化傳感器用于檢測(cè)微量生化分子，尤其適用于液相條件的生化檢測(cè)和傳感。
文檔編號(hào)G01D5/12GK101294824SQ200710098680
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者毋正偉, 王軍波, 陳德勇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所