[發(fā)明專利]基于可動(dòng)?xùn)艠O式場效應(yīng)晶體管的微力傳感器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710527246.8
• 申請(qǐng)日: 2017-06-30
• 公開（公告）號(hào): CN107381497B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙立波;高文迪;蔣莊德;李支康;趙玉龍;孫東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B81B7/02
• 分類號(hào): B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種基于可動(dòng)?xùn)艠O式場效應(yīng)晶體管的微力傳感器及其制備方法，結(jié)構(gòu)包括由四根直梁支撐的中間質(zhì)量塊，中間質(zhì)量塊前端設(shè)置探針，中間質(zhì)量塊前后布置有平衡、工作柵極陣列，平衡、工作柵極陣列相對(duì)中間質(zhì)量塊的中心偏移，中間質(zhì)量塊、直梁、探針與SiO₂絕緣層不接觸，p型Si基底部分區(qū)域形成源、漏極，源、漏極之間的區(qū)域形成導(dǎo)電溝道，部分區(qū)域形成P⁺電極；制備方法先在P型Si基底制備好源極、漏極、導(dǎo)電溝道、P+電極并熱氧生成SiO₂絕緣層并進(jìn)行刻蝕圖形化，然后與另一塊多晶硅鍵合，對(duì)多晶硅部分區(qū)域進(jìn)行硼離子重?fù)诫s形成工作柵極陣列，前部刻蝕出探針的圖形，再刻蝕完成中間質(zhì)量塊，直梁的全部圖形化，本發(fā)明微力傳感器能夠用于nN量級(jí)微力的測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于可動(dòng)?xùn)艠O式場效應(yīng)晶體管的微力傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

微力傳感器主要用于微小力以及微小位移的測量，其在工業(yè)控制、環(huán)保設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、生物檢測等領(lǐng)域均有迫切的需求和廣泛的應(yīng)用，因而對(duì)該類傳感器的研究具有極其重要的實(shí)用價(jià)值。目前，基于MEMS((Micro Electro-Mechanical Systems,微型機(jī)械電子系統(tǒng))技術(shù)的微力傳感器在力傳感器領(lǐng)域已占統(tǒng)治地位，并得到商業(yè)化的廣泛應(yīng)用。MEMS微力傳感器按其工作原理，主要可分為以下三種：壓阻式、電容式以及光學(xué)式。壓阻式微壓傳感器主要利用硅的壓阻效應(yīng)，通過阻值變化來測量負(fù)載力大小，雖然其輸出與輸入具有良好的線性關(guān)系，但硅結(jié)構(gòu)中由于力敏電阻對(duì)溫度敏感，要求傳感器必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，增加了測量的復(fù)雜性。電容式硅微壓力傳感器利用電容極距變化或者正對(duì)面積的變化將負(fù)載力變化轉(zhuǎn)化為電容的變化，有著溫度穩(wěn)定性好、靈敏度高、功耗低、進(jìn)一步微型化變得相對(duì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但其輸出與輸入的線性度較差。光學(xué)式硅微力傳感器是利用光學(xué)顯微鏡觀測MEMS微結(jié)構(gòu)隨負(fù)載力的變形而改變來實(shí)現(xiàn)微力的測量，雖然其結(jié)構(gòu)簡單，無需集成測量電路，但易受測量環(huán)境的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的操作水平要求高。

MEMS微力傳感器的分辨率一般在μN(yùn)量級(jí)，而nN量級(jí)微力的測量還未見相關(guān)報(bào)道。由于工作原理與結(jié)構(gòu)尺寸的限制，致使其難以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更低量程與更高靈敏度的超低微力測量。目前，基于MGFET(Movable Gate Field Effect Transistor，可動(dòng)?xùn)艠O式場效應(yīng)晶體管)的MEMS器件已經(jīng)有相應(yīng)研究，F(xiàn)ET具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工、易集成等特點(diǎn)，輸出量為漏源電極之間的電流，具有更好的放大特性。因此，基于MGFET的MEMS器件具有良好的機(jī)電特性、優(yōu)良的輸入與輸出線性度、高靈敏度等特點(diǎn)。但是已有的晶體管式微力傳感器沒有考慮到各方向受力的耦合，導(dǎo)致測量精度較低；且器件的溝道長度過大，可動(dòng)結(jié)構(gòu)剛度較大，導(dǎo)致其靈敏度較低，如僅為0.011μA/μN(yùn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提出了一種基于可動(dòng)?xùn)艠O式場效應(yīng)晶體管的微力傳感器及其制備方法，能夠用于nN量級(jí)微力的測量。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于可動(dòng)?xùn)艠O式場效應(yīng)晶體管的微力傳感器，包括四根直梁6，直梁6一端支撐中間質(zhì)量塊1，直梁6的另一端固定在邊框7上，邊框7下方與p型Si基底13上方的SiO₂絕緣層12接觸作為可動(dòng)結(jié)構(gòu)的固定端支撐。中間質(zhì)量塊1前端設(shè)置有一個(gè)凸起的探針2，中間質(zhì)量塊1前后布置有平衡柵極陣列4和工作柵極陣列5，平衡柵極陣列4和工作柵極陣列5相對(duì)中間質(zhì)量塊1的中心偏移Doff的距離。平衡柵極陣列4和工作柵極陣列5形成可動(dòng)?xùn)艠O結(jié)構(gòu)，中間質(zhì)量塊1、直梁6、探針2與SiO₂絕緣層12不接觸，它們之間存在一個(gè)空氣間隙，厚度為Z_gap；p型Si基底13中部分區(qū)域經(jīng)磷離子重?fù)诫s形成N⁺型的源極9與漏極10，源極9與漏極10之間的區(qū)域經(jīng)磷離子摻雜形成N型的導(dǎo)電溝道11，部分區(qū)域經(jīng)硼離子重?fù)叫纬蒔⁺電極3。