[發明專利]利用單根集成電阻同時實現驅動及自清洗的微機械懸臂梁

無效

• 申請號: 200910046447.1
• 申請日: 2009-02-20
• 公開（公告）號: CN101492150A
• 公開（公告）日: 2009-07-29
• 發明（設計）人: 于海濤;李昕欣;李俊綱;許鵬程;楊天天
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;B81C1/00;B81C5/00;G01N5/02;G01D5/12
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及一種利用單根集成電阻同時實現驅動及自清洗的微機械懸臂梁的結構、制作方法及應用。本發明屬于微機械傳感器領域。

背景技術

傳感器是測量儀表及檢測系統的基礎。傳統的傳感器通過改變電阻、電容或電感等電學量來測量壓力、溫度、位移等非電量，并以電壓和電流信號輸出。在傳感器和控制電路之間需要增加A/D轉換器，這不僅降低了系統的可靠性、響應速度和測量精度，而且增加了成本。諧振式傳感器的輸出量是頻率信號，精度及分辨率高，長期穩定性好，可通過簡單的數字電路實現與計算機的接口，從而省去結構復雜、價格昂貴的A/D轉換裝置。發展諧振式傳感器，適應以微處理器為中心的數字控制系統是傳感器發展的重要方向之一。但是，現已使用的諧振式傳感器(如諧振筒、諧振梁、諧振膜、諧振彎管)結構尺寸較大，結構復雜，價格昂貴，諧振頻率和靈敏度低。隨著微電子技術和微機械加工技術的發展以及在傳感器中的應用，用微機械加工技術制造出的微機械諧振式傳感器，引起了人們的特別興趣。微機械諧振式傳感器的敏感元件是用微電子和微機械工藝制作的微懸臂梁、微橋(雙端固支梁)、方膜(或圓膜)等諧振子，利用其諧振頻率、振幅或相位等作為敏感測量的參數，可用來測量壓力、真空度、角速度、加速度、流量、溫度、濕度和氣體成分等物理量。諧振器的驅動方式有電磁驅動、靜電驅動、逆壓電驅動、電熱驅動、光熱驅動等，其檢測方式(即拾振方式)有壓電拾振、壓敏電阻拾振、電磁拾振、電容拾振、光學拾振等。

懸臂梁諧振器一端固定，另一端自由，自由端可釋放器件制作時在梁中形成的殘余應力，諧振頻率不受封裝應力的影響。懸臂梁諧振器的形狀有直條形、變截面直條形、U形梁、三角梁、音叉梁等，已在原子力顯微鏡(AFM)探針(輕敲模式和非接觸模式)、微機械電子濾波器、振蕩器、生化傳感器等器件上得到廣泛應用。

作為質量敏感的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，在環境監測、醫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下的懸臂梁及其諧振驅動和敏感元件。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。[N.V.Lavrik，M.J.Sepaniak，P.G.Datskos，Cantilever?transducers?as?a?platform?for?chemical?and?biological?sensors，Review?of?Scientific?Instruments，75，2229(2004)]。傳統的諧振式懸臂梁傳感器在檢測完成后，只能在室溫下通過待測物本身的解吸附使信號回復，再次檢測需要等待較長的時間。為了加速信號回復，一種方法是通過紫外線照射[LiC.，Zhang?D.H.，Liu?X.L.，Han?S.，Tang?T.，Han?J.and?Zhou?C.W.2003?In2O3nanowires?as?chemical?sensors，Applied?Physics?Letters，vol.82，pp.1613-1615]。這種方法需要體積龐大的設備，不利于便攜式傳感器使用。提高溫度也是一種有效的方法，這往往需要在懸臂梁上增加一個加熱部件，增加了器件的復雜程度。

發明內容