专利名称：电磁激励高阶模态硅微机械悬臂梁的驱动结构、制作方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁激励高阶模态谐振式微机械悬臂梁的驱动结构、制作方法及应用，具体而言，是采用与悬臂梁高阶谐振模态的振动函数曲线相匹配的优化布置电磁激励线圈，产生与该模态悬臂梁相应位置运动方向相同的洛伦兹力驱动悬臂梁振动。本发明属于微机械传感器技术领域。
背景技术：
谐振式微机械悬臂梁传感器由于具有高分辨率、高灵敏度、快速响应和数字式输出信号等特点，而被广泛应用于生化检测、压力敏感、惯性测量等传感技术领域，其中作为质量敏感传感器在环境监测、医疗诊断等方面具有广阔的应用前景。该传感器的核心部件是谐振状态下的硅悬臂梁及其谐振驱动和压阻敏感元件。当通过生化特异性吸附将待测物吸附在悬臂梁表面时，悬臂梁等效质量的变化使悬臂梁固有谐振频率发生变化，通过检测该谐振频率的变化量能高精度地定量分析待测物的含量，其质量检测分辨率主要取决于谐振悬臂梁的品质因数。谐振悬臂梁在高阶模态下具有比基频模态更高的品质因数和灵敏度，因此通过激励其悬臂梁的高阶模态能够有效改善其检测分辨率。电磁激励由于具有驱动力大、功耗小等特点常被用作悬臂梁谐振的驱动方式。传统的电磁激励通过位于悬臂梁上导线线圈中的交变电流，在外置永磁体产生的恒定磁场中产生交变的洛伦兹力驱动悬臂梁振动(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)。如图1所示，在这种驱动方式中，线圈被尽可能地布置在悬臂梁边缘，在悬臂梁自由端产生一个洛伦兹力驱动悬臂梁振动。由于悬臂梁基频谐振模态的振形函数曲线只有一个位于自由端的极点，这种驱动方式与基频振形函数曲线相符合(如图2(a)所示)。但是，悬臂梁在高阶谐振模态的振形函数曲线具有多个极点，这种只在悬臂梁自由端产生驱动力的驱动方式与高阶模态振形函数曲线并不完全匹配(如图2(b)所示)。因此，现有的传统电磁激励方式不能满足高阶谐振模态下获得高品质因数的驱动要求。由于驱动线圈通常采用铝薄膜制作，易被腐蚀，在实际应用中，需要一层钝化层对铝线圈进行保护，常用低温淀积氮化硅或氧化硅等介质层的方法形成钝化层，但是淀积薄膜过程形成的应力会改变谐振式悬臂梁的固有谐振频率，传统的铝线保护方法也不适合这种高阶模态谐振式悬臂梁器件。
发明内容
本发明的目的是提供一种更有效的电磁激励高阶模态谐振式微机械悬臂梁的驱动结构、制作方法及应用，以克服传统电磁激励方式的不足。其基本思想及实现方法如下依据高阶模态振形函数曲线的极点位置优化布置驱动线圈，使交变驱动电流在相应的极点位置产生与悬臂梁振动方向相同的洛伦兹驱动力，这样的驱动方式与高阶模态振形函数曲线完全匹配(如图2(c)所示)，能够更好地激励其高阶模态，获得较高的品质因数，提高其检测分辨率；采用溅射制作铬薄膜，形成与铝线圈布局一致，但有足够的宽度和厚度的铬线，完全覆盖在铝线圈的表面和侧壁，形成良好的保护，这样的保护方法避免了传统介质钝化层淀积形成应力引起的悬臂梁谐振频率的变化，同时实现了驱动线圈有效可靠保护。
以悬臂梁的二阶弯曲模态为例，说明本发明基本原理如下悬臂梁二阶弯曲模态的模态函数为f(x)＝-cos(4.694x)+cosh(4.694x)+1.018·[sin(4.694x)-sinh(4.694x)]，其中x为悬臂梁长度方向上的相对坐标。其极点位置为x1＝0.475和x2＝1，极值分别为f(x1)＝1.442和f(x2)＝-2。这说明二阶弯曲模态有两个极点位置，且这两处悬臂梁的振动方向相反。传统的电磁激励方法只能在x＝1处产生与该处振动方向相同的驱动力(如图2(b)所示)，而优化驱动线圈布局，在悬臂梁的两个极点处布置线圈，并使线圈中的驱动电流方向相反，这样将在两个极点处都产生与该处二阶弯曲模态悬臂梁振动方向相同的洛伦兹力(如图2(c)所示)，更好地激励悬臂梁的二阶弯曲模态，从而获得更高的品质因数，提高其性能。
图3显示了利用该优化驱动方式获得高品质因数的二阶模态谐振式悬臂梁示意图，详细说明了这种优化电磁驱动结构的技术特征。它由1.悬臂梁结构、2.振动敏感压阻、3.优化驱动线圈等部分组成。在外加磁场下，驱动线圈中的电流产生一个与悬臂梁振动方向一致的洛伦兹力，这个洛伦兹力驱动悬臂梁振动，位于悬臂梁根部的压阻元件由于压阻效应引起电阻发生变化，经惠斯通电桥后实现振动信号输出，当驱动电流的频率与悬臂梁二阶模态的谐振频率相同时，悬臂梁在二阶弯曲模态谐振。驱动线圈布置为回形针形状，在悬臂梁自由端和中部布置驱动线圈，中部的导线位于悬臂梁相对于长度的0.475倍处(如图3所示)。由于悬臂梁自由端和中部的驱动线圈恰好位于悬臂梁二阶弯曲模态的极点位置，且通过的电流方向始终相反，悬臂梁自由端和中部分别产生方向相反的两个洛伦兹力，这两个力的作用点和方向恰好与悬臂梁的二阶弯曲振动模态函数曲线相匹配。因此，与传统的只在悬臂梁自由端驱动的电磁激励方式相比，这种优化激励结构和方式能够更有效地激励其二阶弯曲模态，获得更高的品质因数。此外，由于驱动线圈通常采用铝薄膜制作，易被腐蚀，采用溅射工艺制作铬薄膜，形成与铝线圈布局一致，但有足够的宽度和厚度的铬线，完全覆盖在铝线圈的表面和侧壁，形成铝线钝化层(如图3所示)。这样的保护方法避免了传统介质钝化层淀积形成应力对悬臂梁谐振频率的影响，同时实现了驱动线圈有效可靠保护。
本发明的优化驱动线圈可以通过改变光刻掩模版图形，采用已有的金属薄膜工艺，高精度地实现优化驱动线圈的制作。以采用此优化驱动方式的二阶模态微机械悬臂梁的制作工艺详述这种优化驱动线圈及其钝化层的实现方式如下(1)采用N型SOI(绝缘体上的硅)硅片，将顶层硅减薄至悬臂梁厚度，热氧化形成表面氧化层。
(2)用光刻胶做掩模，光刻形成敏感电阻的图形，采用离子注入工艺进行硼离子掺杂、在950℃-1150℃热退火10-60分钟活化注入的硼离子形成具有压阻效应的敏感电阻，其方块电阻值在100-250欧姆范围内。
(3)用光刻胶做掩模，光刻形成压阻引线孔图形，用缓冲氢氟酸腐蚀掉氧化硅形成引线孔。溅射厚度在500纳米以上的铝薄膜，依次光刻、腐蚀、去胶，形成优化布置的驱动线圈和压阻引线。在450℃-550℃合金化与压阻形成欧姆接触。驱动线圈是依据悬臂梁二阶模态振形函数曲线的极值位置精确计算设计的，利用光刻技术精确地形成驱动线圈的图形。
(4)溅射300纳米以上的铬薄膜，依次光刻、腐蚀、去胶，形成完全覆盖铝线圈表面和侧壁的铬线圈，考虑到工艺误差，铬薄膜(即铬线圈)的宽度比铝线圈两侧各宽出0.5微米以上。
(5)用光刻胶做掩模，光刻形成悬臂梁结构图形，采用深反应离子刻蚀工艺正面刻蚀，形成悬臂梁结构。背面用光刻胶做掩模，双面光刻形成背面刻蚀图形，采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀体硅至SOI中间氧化层，用缓冲氢氟酸腐蚀掉SOI中间氧化层，释放悬臂梁结构，完成悬臂梁器件制作。
由本发明提供的电磁激励高阶模态硅微机械悬臂梁的驱动结构，成功地应用于各种微量、痕量检测和生化传感器，其质量分辨率为3×10-14克。(详见实施例1、2、3)综上所述，本发明的主要优点是(1)依据高阶模态振形函数曲线，优化线圈布置方式，产生与高阶谐振模态振形函数曲线相匹配洛伦兹驱动力，更好地激励悬臂梁的高阶谐振模态。
(2)针对谐振式悬臂梁的谐振频率对工艺过程中的应力敏感的特点，采用化学性质稳定的金属。例如铬，作为铝引线的钝化层，避免了传统钝化层淀积后形成的应力引起的悬臂梁谐振频率的变化，同时实现了驱动线圈有效可靠保护。
(3)本发明提供的优化驱动结构不仅能检测出浓度更低的被测物质而且又可用于各种生化传感器，为交通枢纽的安检、反恐提供新的技术检测系统。
图1传统电磁激励的驱动线圈布置方式。
图2(a)基频模态振形函数曲线与传统电磁激励方式产生的洛伦兹力示意2(b)二阶模态振形函数曲线与传统电磁激励方式产生的洛伦兹力示意图。
图2(c)二阶模态振形函数曲线与优化电磁激励置方式产生的洛伦兹力示意图。
图3采用本发明的优化电磁激励方式的二阶模态谐振式硅微机械压阻悬臂梁立体示意图。
图4采用本发明的具有优化电磁激励方式的二阶模态谐振式硅微机械压阻悬臂梁制作工艺流程图。
(a)SOI硅片氧化；(b)压阻制作，腐蚀出引线孔；(c)制作铝压阻引线和驱动线圈；(d)溅射铬钝化层；(e)蒸发金薄膜；(f)正面和背面刻蚀，释放悬臂梁结构。
图5(a)采用本发明的具有优化电磁激励方式的二阶模态谐振式硅微机械压阻悬臂梁生化传感器扫描电镜照片。
图5(b)采用传统电磁激励方式的谐振式硅微机械压阻悬臂梁生化传感器扫描电镜照片。
图6采用本发明的具有优化电磁激励方式的二阶模态谐振式硅微机械压阻悬臂梁生化传感器和采用传统电磁激励方式的谐振式硅微机械压阻悬臂梁生化传感器的品质因数。
图7采用本发明的的具有优化电磁激励方式的二阶模态谐振式硅微机械压阻悬臂梁生化传感器和采用传统电磁激励方式的谐振式硅微机械压阻悬臂梁生化传感器的频率稳定度和质量分辨率。
图中B-恒定磁场 i-驱动电流F-洛伦兹力 -电流流入纸面1-悬臂梁结构2-敏感压阻组成的惠斯通电桥3-驱动线圈 4-铝线5-完全覆盖铝线上表面和侧壁的铬薄膜 6-悬臂梁衬底具体实施方式
下面通过具体实施的几个器件为例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明并非仅限于所述实例。
实施例1，TNT传感器以一个用于TNT(三硝基甲苯)痕量检测的二阶模态谐振式硅微机械压阻悬臂梁传感器为例详细说明该优化驱动结构的效果和实施方式。传感器工作原理如下在悬臂梁表面的金薄膜衬底上固定选择性吸附膜，当TNT分子通过选择性吸附作用被该选择性吸附膜吸附到悬臂梁表面时，悬臂梁的有效质量增加，谐振频率降低，通过检测谐振频率的变化量就可以测量待测物的含量。采用本发明的优化电磁激励的结构的二阶模态谐振式硅微机械压阻悬臂梁传感器具有比传统电磁激励方式的传感器更高的质量分辨率，能够探测到浓度更低的TNT，这为机场、车站、港口、海关等交通枢纽和重要地点的安检和反恐提供了更加有效、可靠的技术检测手段，对保障公共安全具有重要意义。
在该器件中，质量检测分辨率是谐振式传感器的最重要的性能指标，它决定于谐振式悬臂梁的品质因数和有效质量。高阶模态下悬臂梁在不增加有效质量的情况下能获得较高的品质因数，因而能有效改善其质量分辨率。采用了本发明的优化电磁驱动结构的悬臂梁，悬臂梁设计长度为300微米、宽度为100微米、厚度为3微米。铝线圈布置如图3所示，铝厚度为700纳米，宽度5微米，悬臂梁中部的铝线中心位于悬臂梁固支端142.5微米处，即悬臂梁相对长度的0.475倍。铬薄膜厚度为500纳米，宽度7微米，铬线比铝线宽度两侧各宽出1微米。四个压阻组成惠斯通电桥输出悬臂梁振动信号。将一永磁体与悬臂梁封装在一起，固定于悬臂梁前端，产生的磁场与悬臂梁长度方向一致。性能指标为基频谐振频率为49kHz，二阶弯曲谐振模态谐振频率为303kHz，谐振频率稳定度6×10-7。在此恒定磁场作用下，悬臂梁上的优化布置驱动线圈通交流电流产生与二阶模态振形函数曲线相匹配的位于悬臂梁自由端和中部的两个洛伦兹力驱动悬臂梁振动，当驱动电流与悬臂梁二阶弯曲谐振频率相同时，悬臂梁在二阶弯曲模态下谐振，其质量检测分辨率为3×10-14克。
器件制作工艺流程如图4所示，并详述如下(a)采用N型SOI(绝缘体上的硅)硅片，将顶层硅减薄至悬臂梁厚度，热氧化形成2000埃的氧化层。
(b)用光刻胶做掩模，光刻出敏感电阻的图形，采用离子注入工艺进行硼离子掺杂、在1000℃退火30分钟活化注入的硼离子形成具有压阻效应的敏感电阻，其方块电阻值为160欧姆。
(c)用光刻胶做掩模，光刻出压阻引线孔图形，用缓冲氢氟酸腐蚀掉氧化硅形成引线孔。溅射厚度在7000埃以上的铝薄膜，依次光刻、腐蚀、去胶，同时形成优化布置的驱动线圈和压阻引线。在480℃合金化30分钟与压阻形成欧姆接触。驱动线圈是依据悬臂梁二阶模态振形函数曲线的极值位置精确计算设计的，利用光刻技术精确地形成驱动线圈的图形。
(d)溅射5000埃以上的铬薄膜，依次光刻、腐蚀、去胶，形成完全覆盖铝线圈表面和侧壁的铬线圈，考虑到工艺误差，铬薄膜的宽度比铝薄膜两侧各宽出1微米。
(e)在硅片上涂光刻胶，光刻显影，蒸发金薄膜，采用剥离工艺形成金薄膜。
(f)用光刻胶做掩模，光刻形成悬臂梁结构图形，采用深反应离子刻蚀工艺正面刻蚀，形成悬臂梁结构。背面用光刻胶做掩模，双面光刻形成背面刻蚀图形，采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀体硅至SOI中间氧化层，用缓冲氢氟酸腐蚀掉SOI中间氧化层，释放悬臂梁结构，完成悬臂梁器件制作。
图5(a)给出了经过上述工艺的采用优化电磁激励方式的二阶模态硅微机械悬臂梁传感器的电镜照片，图5(b)给出了采用传统电磁激励方式的硅微机械悬臂梁生化传感器的电镜照片。这两种悬臂梁尺寸一致、采用同样的工艺同时流片制成。为了对比采用优化电磁激励方式对二阶模态硅微机械悬臂梁的性能影响，图6和图7分别给出了采用这两种电磁激励方式的悬臂梁的品质因数和质量分辨率。从图6给出的测试结果可以看出，采用传统的电磁激励方式，悬臂梁的二阶模态品质因数是307；而采用优化电磁激励方式，悬臂梁的二阶模态品质因数达到857，相比传统的电磁激励方式提高了1.8倍。图7给出了这两种悬臂梁的谐振频率稳定度，质量分别率等于谐振频率相对稳定度与悬臂梁等效质量之积。在本实施例中，悬臂梁的有效质量是5.25×10-8克。测量到传统电磁激励方式的悬臂梁二阶模态下频率相对稳定度是1.16×10-6，而本发明的优化电磁激励方式的频率相对稳定度是0.57×10-6，质量分辨率分别为6×10-14克和3×10-14克。这说明了采用优化电磁激励方式，提高了二阶弯曲模态悬臂梁的品质因数和质量分辨率，显著改善了器件的性能。
实施例2，亲和素生化传感器以一个用于亲和素痕量检测的二阶模态谐振式硅微机械压阻悬臂梁传感器为例详细说明该优化驱动方式的效果和实施方式。亲和素(avidin)是一种糖蛋白，分子量6万，可用于蛋白质、糖等大分子的间接包被，这种包被法不仅可增加吸附的抗体或抗原量，而且使其结合点充分暴露。生物素(biotin)又称维生素H，分子量244，存在于蛋黄中，亲和素与生物素的结合，虽不属免疫反应，但特异性强，亲和力大，两者一经结合就极为稳定。器件工作原理如下在悬臂梁表面的金薄膜衬底上通过巯基化合物自组装膜固定生物素分子探针，当亲和素分子与固定在悬臂梁表面的生物素结合时，悬臂梁的有效质量增加，谐振频率降低，通过检测谐振频率的变化量就可以测量亲和素的含量。采用本发明的优化电磁激励方式的二阶模态谐振式硅微机械压阻悬臂梁传感器具有比传统电磁激励方式的传感器更高的质量分辨率，能够探测到含量更少的亲和素。这种技术对于实现疾病早期诊断具有重要意义。
在该器件中，质量检测分辨率是谐振式传感器的最重要的性能指标，它取决于谐振式悬臂梁的品质因数和有效质量。高阶模态下悬臂梁在不增加有效质量的情况下能获得较高的品质因数，因而能有效改善其质量分辨率。采用了本发明的优化电磁驱动方式的悬臂梁，悬臂梁设计长度为300微米、宽度为100微米、厚度为3微米。铝线圈布置如图3所示，铝厚度为700纳米，宽度5微米，悬臂梁中部的铝线中心位于悬臂梁固支端142.5微米处，即悬臂梁相对长度的0.475倍。铬薄膜厚度为500纳米，宽度7微米，铬线比铝线宽度两侧各宽出1微米。四个压阻组成惠斯通电桥输出悬臂梁振动信号。将一永磁体与悬臂梁封装在一起，固定于悬臂梁前端，产生的磁场与悬臂梁长度方向一致。性能指标为基频谐振频率为49kHz，二阶弯曲谐振模态谐振频率为303kHz，谐振频率稳定度6×10-7。在此恒定磁场作用下，悬臂梁上的优化布置驱动线圈通交流电流产生与二阶模态振形函数曲线相匹配的位于悬臂梁自由端和中部的两个洛伦兹力驱动悬臂梁振动，当驱动电流与悬臂梁二阶弯曲谐振频率相同时，悬臂梁在二阶弯曲模态下谐振。
器件制作工艺流程同实施例1，如图4所示。
如图7所示，采用传统的电磁激励方式，二阶模态悬臂梁的质量分辨率为6×10-14克，而采用本发明的优化电磁激励方式，其质量检测分辨率为3×10-14克，这样的质量分辨率能够实现单细胞检测。
实施实例3，DNA识别生化传感器以一个用于DNA识别的二阶模态谐振式硅微机械压阻悬臂梁传感器为例详细说明该优化驱动方式的应用和实施方式。DNA(脱氧核糖核酸)是生物基本遗传物质，DNA识别对于基因组学、疾病研究和诊断具有非常重要的意义。DNA是双螺旋结构，两个碱基单链通过氢键缠绕在一起。在一定条件下，两个单链通过杂交反应结合在一起组成双螺旋结构，这种反应具有高度的选择性，识别能力非常强。用于DNA识别的器件工作原理如下在悬臂梁表面的固定一个DNA单链作为识别探针，当存在与该碱基单链完全匹配的另一个碱基单链时，通过杂交反应形成DNA双链结构，结合在悬臂梁表面，使悬臂梁的有效质量增加，谐振频率降低，通过检测谐振频率的变化量就可以测量该碱基单链的含量。采用本发明的优化电磁激励方式的二阶模态谐振式硅微机械压阻悬臂梁传感器具有比传统电磁激励方式的传感器更高的质量分辨率，只需要更少量、更低浓度的样本就可以完成测试。
在该器件中，质量检测分辨率是谐振式传感器的最重要的性能指标，它取决于谐振式悬臂梁的品质因数和有效质量。高阶模态下悬臂梁在不增加有效质量的情况下能获得较高的品质因数，因而能有效改善其质量分辨率。采用了本发明的优化电磁驱动方式的悬臂梁，悬臂梁设计长度为300微米、宽度为100微米、厚度为3微米。铝线圈布置如图3所示，铝厚度为700纳米，宽度5微米，悬臂梁中部的铝线中心位于悬臂梁固支端142.5微米处，即悬臂梁相对长度的0.475倍。铬薄膜厚度为500纳米，宽度7微米，铬线比铝线宽度两侧各宽出1微米。四个压阻组成惠斯通电桥输出悬臂梁振动信号。将一永磁体与悬臂梁封装在一起，固定于悬臂梁前端，产生的磁场与悬臂梁长度方向一致。性能指标为基频谐振频率为49kHz，二阶弯曲谐振模态谐振频率为303kHz，谐振频率稳定度6×10-7。在此恒定磁场作用下，悬臂梁上的优化布置驱动线圈通交流电流产生与二阶模态振形函数曲线相匹配的位于悬臂梁自由端和中部的两个洛伦兹力驱动悬臂梁振动，当驱动电流与悬臂梁二阶弯曲谐振频率相同时，悬臂梁在二阶弯曲模态下谐振。
器件制作工艺流程同实例1，如图4所示。
如图7所示，采用传统的电磁激励方式，二阶模态悬臂梁的质量分辨率为6×10-14克，而采用本发明的优化电磁激励的驱动结构，其质量检测分辨率为3×10-14克，这样的质量分辨率能够检测到只要5000个多瘤病毒的DNA分子，就可以完成检测，由于样品需求量和浓度要求少，所以对于早期疾病诊断和环境检测都要非常广泛的应用前景。
权利要求
1.一种电磁激励高阶模态谐振硅微机械悬臂梁的驱动结构，由悬臂梁和振动敏感压组成，其特征在于悬臂梁上的驱动线圈布置为回形针形状，在悬臂梁自由端和中部布置驱动线圈，位于悬臂梁二阶弯曲模态的极点位置。
2.按权利要求1所述的电磁激励高阶模态谐振硅微机械悬臂梁的驱动结构，其特征在于所述的悬臂梁二阶弯曲模态的模态函数为f(x)＝-cos(4.694x)+cosh(4.694x)+1.018·[sin(4.694x)-sinh(4.694x)]，其中x为悬臂梁长度方向上的相对坐标；其极点位置为x1＝0.475和x2＝1，极值分别为f(x1)＝1.442和f(x2)＝-2。
3.按权利要求1所述的电磁激励高阶模态谐振硅微机械悬臂梁的驱动结构，其特征在于悬臂梁自由端和中部分别产生方向相反的两个洛伦兹力。
4.按权利要求1所述的电磁激励高阶模态谐振硅微机械悬臂梁的驱动结构，其特征在于驱动线圈为铝薄膜，在其上有与铝薄膜布局一致的铬薄膜，完全覆盖在铝薄膜的表面和侧壁，形成铝薄膜纯化层。
5.按权利要求4所述的电磁激励高阶模态谐振硅微机械悬臂梁的驱动结构，其特征在于铬薄膜厚度大于300纳米，铬薄膜的宽度比铝薄膜两侧各宽出0.5微米以上。
6.制作如权利要求1所述的电磁激励高阶模态谐振硅微机械悬臂梁的驱动结构的方法，其特征在于通过改变光刻掩膜版图形，采用已有的金属薄膜工艺，高精度地实现优化驱动线圈的制作，工艺步骤是(1)采用N型绝缘体上的硅的硅片，将顶层硅减薄至悬臂梁厚度，热氧化形成表面氧化层；(2)用光刻胶做掩模，光刻形成敏感电阻的图形，采用离子注入工艺进行硼离子掺杂、在950℃-1150℃热退火10-60分钟活化注入的硼离子形成具有压阻效应的敏感电阻，其方块电阻值在100-250欧姆范围内；(3)用光刻胶做掩模，光刻形成压阻引线孔图形，用缓冲氢氟酸腐蚀掉氧化硅形成引线孔；溅射厚度在500纳米以上的铝薄膜，依次光刻、腐蚀、去胶，形成优化布置的驱动线圈和压阻引线；在450℃-550℃合金化与压阻形成欧姆接触；驱动线圈是依据悬臂梁二阶模态振形函数曲线的极值位置精确计算设计的，利用光刻技术精确地形成驱动线圈的图形；(4)溅射300纳米以上的铬薄膜，依次光刻、腐蚀、去胶，形成完全覆盖铝薄膜表面和侧壁的铬薄膜，考虑到工艺误差，铬薄膜的宽度比铝薄膜两侧各宽出0.5微米以上；(5)用光刻胶做掩模，光刻形成悬臂梁结构图形，采用深反应离子刻蚀工艺正面刻蚀，形成悬臂梁结构，背面用光刻胶做掩模，双面光刻形成背面刻蚀图形，采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀体硅至绝缘层上层的硅的中间氧化层，用缓冲氢氟酸腐蚀掉绝缘层上层的硅的中间氧化层，释放悬臂梁结构，完成悬臂梁器件制作。
7.按权利要求6所述的电磁激励高阶模态谐振硅微机械悬臂梁的驱动结构的制作方法，其特征在于设计的悬臂梁长度为300微米、宽度为100微米、厚度为3微米，铝厚度为700纳米，宽度5微米，悬臂梁中部的铝薄膜中心位于悬臂梁固支端142.5微米处，即悬臂梁相对长度的0.475倍；铬薄膜厚度为500纳米，宽度7微米，铬薄膜比铝薄膜宽度两侧各宽出1微米；四个压阻组成惠斯通电桥输出悬臂梁振动信号；将一永磁体与悬臂梁封装在一起，固定于悬臂梁前端，产生的磁场与悬臂梁长度方向一致。
8.按权利要求1所述的电磁激励高阶模态谐振硅微机械悬臂梁的驱动结构的应用，其特征在于三硝基甲苯痕量检测、亲和素生化传感器和脱氧核糖酸识别生化传感器，其质量检测分辨率为3×10-14克。
全文摘要
本发明涉及一种用于电磁激励高阶模态谐振硅微机械悬臂梁的驱动结构、制作方法及应用，属微机械传感器技术领域；其特征在于采用与悬臂梁高阶谐振模态的振动函数曲线相匹配的优化布置电磁激励线圈，产生与该模态悬臂梁相应位置运动方向相同的洛伦兹力驱动悬臂梁振动，更好地激励悬臂梁的高阶谐振模态，提高悬臂梁的品质因数和质量分辨率；同时用溅射制作与驱动铝线圈布局一致，但有足够的宽度和厚度的铬薄膜，确保完全覆盖在铝线圈的表面和侧壁，形成良好的保护，避免了传统介质钝化层淀积后形成的应力引起的悬臂梁谐振频率的变化，同时实现了驱动线圈的有效可靠保护；本发明特点是结构简单、制作方便、容易实现。
文档编号B81C1/00GK1880211SQ200610023320
公开日2006年12月20日 申请日期2006年1月13日 优先权日2006年1月13日
发明者李昕欣, 金大重, 刘剑, 左国民, 刘民 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所