[發明專利]基于ZnO納米線陣列的壓力傳感器芯片及其制備方法

無效

• 申請號: 201210126095.2
• 申請日: 2012-04-26
• 公開（公告）號: CN102645294A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 蔣莊德;許煜;趙立波;趙玉龍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18;G01L9/06;B81C3/00;B82Y15/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 田洲

技術領域

本發明涉及一種基于微機電系統(Micro?Electro?Mechanical?Systems，MEMS)技術的壓力傳感器芯片及其制備方法，特別是一種基于ZnO納米線(ZnO?nanowire)陣列的壓力傳感器芯片及其制備方法。

背景技術

隨著傳感器技術和MEMS技術的不斷進步，有力地促進了壓力測量技術的發展，出現了一些基于MEMS技術的壓力測量新方法。壓電式壓力傳感器就是諸多測量方法中的一種，基于壓電效應的傳感器是一種自發電式和機電轉換式傳感器，它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產生電荷，經電荷放大器、阻抗變換和測量電路放大后輸出與所受外力成正比的電壓信號。它的優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是只能測試動態壓力，一般不能測試靜態壓力，且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路來克服這一缺陷，此外，壓電材料還需要防潮、隔離處理。

高密度、定向生長的ZnO納米線作為一種具有良好壓電性質的材料，可用來制備高頻纖維聲光器件及聲光調制器等壓電轉換器，還可廣泛應用在大容量、高速率光纖通信的光纖相位調制、反雷達動態測頻、電子偵聽、衛星移動通信、并行光信息處理等領域。ZnO既是半導體又有壓電效應的特點，能夠與金屬產生肖特基接觸，形成勢壘，可解決一般壓電元件需要高輸入阻抗輸出放大電路的問題，為進一步實現壓電式壓力傳感器微型化提供了基礎。

發明內容

本發明的目的在于供一種基于ZnO納米線陣列的壓力傳感器芯片及其制備方法，利用ZnO納米線結構的特點，通過控制ZnO納米線生長成合理的微結構，與金屬形成肖特基接觸，實現電荷積累到釋放過程因而不需要高輸入阻抗輸出的放大電路。

為了實現上述目的，本發明基于ZnO納米線陣列的壓力傳感器芯片的制備方法采用如下技術方案：

一種基于ZnO納米線陣列的壓力傳感器芯片的制備方法，包括制備ZnO納米線壓電元件的步驟、制備C型杯彈性元件的步驟和將ZnO納米線壓電元件和C型杯彈性元件結合的步驟；

制備ZnO納米線壓電元件的步驟：

(1)使用HF溶液清洗雙面拋光的硅片，并將清洗后的硅片置于等離子處理系統中進行表面處理，等離子體處理的時間為5～20分鐘，處理溫度為20～300℃，處理完后進行烘干；

(2)在硅片兩端淀積氮化硅；

(3)利用硅通孔技術在硅片上利用等離子刻蝕出通孔，通孔直徑為20～30μm；

(4)在硅片上和通孔中淀積鈦電極，作為ZnO納米線陣列的下電極，鈦電極厚度為5～10nm，長為2～2.5mm，寬為0.4～0.5mm；

(5)在鈦電極上表面濺射淀積金層，作為ZnO納米線陣列的催化層，金層的厚度為20～50nm，長為2～2.5mm，寬為0.4～0.5mm；

(6)在金層上，用含有鋅離子的堿性溶液作為反應溶液，在100℃下保溫反應4小時，促使ZnO納米線陣列的生長，然后將剩余的金層蒸發，得到ZnO納米線陣列，其長為3～5μm，直徑為200～500nm，并在完成生長后使用丙酮清洗烘干；

(7)在ZnO納米線生長成陣列后，利用注塑工藝將PMDS注入將ZnO納米線陣列包裹；

(8)利用氧離子刻蝕將步驟(7)中注入的PDMS的頂端部分去除，將ZnO納米線陣列的頂端暴露出來，底端ZnO納米線仍包裹在PDMS中；

(9)利用等離子刻蝕將兩端的氮化硅去除，即得到ZnO納米線壓電元件；

制備C型杯彈性元件的步驟：

(1)使用HF溶液清洗雙面拋光的SOI硅片，并將清洗后的SOI硅片置于等離子處理系統中進行表面處理，等離子體處理的時間為5～20分鐘，處理溫度20～300℃，處理完后進行烘干；

(2)雙面淀積氮化硅；

(3)在SOI硅片正面光刻，刻蝕去掉正面中間區域的氮化硅；

(4)采用氫氧化鉀各向異性刻蝕單晶硅，并腐蝕至二氧化硅埋層停止，制作出有效硅膜，C型杯的內部能夠容納ZnO納米線壓電元件的ZnO納米線陣列；

(5)用等離子刻蝕技術刻蝕位于背面的氮化硅；

(6)利用硅通孔技術，在硅片上利用等離子刻蝕出通孔，通孔直徑為20～30μm；

(7)在硅片上和通孔中淀積鉑電極，作為ZnO納米線陣列的上電極，鉑電極厚度為5～10nm，長為3～3.5mm，寬為0.4～0.5mm；制作完成后即得C型杯彈性元件；

將ZnO納米線壓電元件和C型杯彈性元件結合的步驟：