专利名称：集成真空微电子触觉传感器阵列的制作方法
技术领域：
本发明属于微压力与微位移传感器技术领域，特别是涉及一种集成真空微电子触觉传感器阵列。
现有技术中的真空微电子触觉传感器，目前只见到单管式真空微电子触觉传感器的文献报道。如中国发明专利申请公开的台阶阵列阴极真空微电子压力传感器，公开号CN1144333A。该发明主要通过将平面阵列阴极真空微电子压力传感器的结构改为台阶阵列阴极真空微电子压力传感器。该类技术方案虽然提高了传感器的灵敏度和量程，但它仅是一种单管式的真空微压力传感器，不能同时准确测量多点微位移、微压力和感知被测物的相应形貌。
本发明的目的是提供一种温度稳定性好、抗辐射、响应速度快、灵敏度和分辨率高、体积小的集成真空微电子触觉传感器阵列。
本发明通过以下技术方案来加以实现集成真空微电子触觉传感器阵列，由真空微电子触觉敏感元二维阵列、信号处理电路两大部分组成。其中，构成真空微电子触觉敏感元二维阵列的触觉敏感元由硅微场致发射阴极锥尖阵列(1)、真空微腔(2)、绝缘层(3)、阳极弹性膜(4)组成，每个触觉敏感元的阳极弹性膜(4)经隔离带(5)隔离成独立单元后与信号处理电路一体化三维集成；信号处理电路由水平方向扫描电路(6)、垂直方向扫描电路(7)、MOS开关管阵列(8)和(8′)、信号输出端(9)组成。水平方向扫描电路(6)的信号输出打开MOS开关管阵列(8)上相应列的开关管，而垂直方向扫描电路(7)的信号输出打开MOS开关管阵列(8′)上相应行的开关管，取出的触觉信号由信号输出端(9)送出。
本发明的主要技术特征是，将硅微场致发射阴极锥尖阵列(1)、真空微腔(2)、绝缘层(3)、阳极弹性膜(4)经隔离带(5)隔离成独立单元，真空微电子触觉敏感元与信号处理电路同时一体化集成出真空微电子触觉传感器阵列。
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
附
图1为集成真空微电子触觉敏感元示意图。在附图1中，1为硅微场致发射阴极锥尖阵列，2为真空微腔，3为绝缘层，4为阳极弹性膜。
附图2为集成真空微电子触觉传感器阵列截面示意图。
附图3为集成真空微电子触觉传感器阵列平面分布示意图。在附图3中，6为水平方向扫描电路，7为垂直方向扫描电路，5为触觉敏感元的隔离带，9为信号输出端，8和8′为MOS开关管阵列。
附图4为信号处理电路原理示意图。在附图4中，Vs为起始脉冲电压，φ1,φ2为时钟信号，e1,e2,eN-1,eN为信号处理电路的逐位输出点，EOS为余位寄存器输出。
触觉敏感元的工作原理是，阳极弹性膜(4)相对硅微场致发射阴极锥尖阵列(1)施加一定的正电压(起始发射电压)，在阴极锥尖表面形成加速电场，引起场致发射，在阴极、阳极之间形成电流(起始发射电流)，当电压一定时，阳极弹性膜(4)受力变形，阴极、阳极之间的距离发生变化，此时阴极锥尖表面的场强也相应发生变化，从而导致阴极、阳极之间的电流密度随场强变化而变化，而且这种变化相当敏感。由于发射的电子是在真空中输运，温度等因素的影响在理论上可忽略不计，因而这种结构的真空微电子触觉敏感元具有灵敏度高，温度稳定性好，响应速度快和抗辐射等优点。
本发明提供的集成真空微电子触觉传感器阵列，正是将具有上述特点的四个以上的真空微电子触觉敏感元以二维阵列的排列方式与信号处理电路同时一体化三维集成在同一芯片上，其平面分布如附图3所示。集成的每个触觉敏感元的阳极弹性膜(4)与对应的MOS开关管阵列(8)的相应开关管漏极相连，水平方向扫描电路(6)的移位寄存器逐位输出线依次接在相应的MOS开关管阵列(8)的开关管栅极上，而开关管阵列(8)的相应开关管源极则分别与每行水平输出线相连；垂直方向扫描电路(7)的移位寄存器逐位输出线依次接在相应MOS开关管阵列(8′)的栅极上。而水平输出线则接在对应的(8′)的相应开关管源极上，MOS开关管阵列(8′)的相应开关管漏极接在触觉敏感元二维阵列的信号输出端(9)上。经相应时钟及周期性起始脉冲信号的控制，逐位打开相应位置的MOS开关管阵列(8)和(8′)，从而实现逐行逐列的扫描及触觉敏感元二维阵列各单元信号的依次获取和串行输出。由于本方案制作的信号处理电路是一种抗辐射的低功耗电路，因而其功耗与位数无关。
下面简述集成真空微电子触觉传感器阵列的制作工艺，其制作工艺主要包括两部分首先是真空微电子触觉敏感元二维阵列的制作，然后是信号处理电路的加工，具体描述如下A二维真空微电子触觉敏感元阵列的制作(1)预处理2-8Ω.cm的n型<100>单晶硅片；(2)热氧化生长1.5μm的SiO2；(3)光刻触觉敏感元二维阵列的阴极锥尖阵列；(4)采用干法和湿法相结合的腐蚀方法，腐蚀阴极锥尖阵列；(5)对阴极锥尖阵列进行氧化锐化处理，完成阴极锥尖的制作；(6)背面光刻，即将光刻对位标记转移到背面，以便向正面转移；(7)用电阻率2Ω.cm左右的n型<100>双面抛光硅片作为触觉敏感元的阳极膜，与己形成阴极锥尖阵列的硅片键合；(8)将键合上的阳极膜硅片减薄，抛光形成20μm左右的硅膜；(9)热生长1μm的SiO2；(10)光刻，各向异性腐蚀阳极膜隔离带；(11)热氧化100nmSiO2；(12)LPCVD淀积多晶硅将隔离带填平；(13)表面平坦化处理，去掉除隔离带外的多晶硅。B、用常规MOS工艺完成信号处理电路的制作。
本发明具有温度稳定性好，灵敏度与分辨率高、响应速度快、功耗低、抗辐射、体积小等优点。它既可测量多点微压力与微位移，又可感知被测物体的相应形貌，是一种用途极为广泛的集成真空微电子触觉传感器阵列。
权利要求
1.集成真空微电子触觉传感器阵列，包括真空微电子触觉敏感元二维阵列、信号处理电路两部分，其中，构成触觉敏感元二维阵列的触觉敏感元由硅微场致发射阴极锥尖阵列(1)、真空微腔(2)、绝缘层(3)、阳极弹性膜(4)组成，信号处理电路由水平方向扫描电路(6)、垂直方向扫描电路(7)、MOS开关管阵列(8)和(8′)、信号输出端(9)组成，其特征是构成的触觉敏感元二维阵列与信号处理电路共同一体化集成真空微电子触觉传感器阵列。
2.按权利要求1所述的集成真空微电子触觉传感器阵列，其特征是真空微电子触觉传感器阵列以二维方式集成，每个触觉敏感元的阳极弹性膜(4)经隔离带(5)隔离成独立单元后与信号处理电路一体化三维集成。
3.按权利要求1所述的集成真空微电子触觉传感器阵列，其特征是水平方向扫描电路(6)的信号输出打开MOS开关管阵列(8)上相应列的开关管，而垂直方向扫描电路(7)的信号输出打开MOS开关管阵列(8′)上相应行的开关管，取出的触觉信号由信号输出端(9)送出。
全文摘要
集成真空微电子触觉传感器阵列,由真空微电子触觉敏感元二维阵列、信号处理电路两大部分组成。其中,构成触觉敏感元二维阵列的触觉敏感元由硅微场致发射阴极锥尖阵列、真空微腔、绝缘层、阳极弹性膜组成;信号处理电路由水平方向扫描电路、垂直方向扫描电路、MOS开关管阵列、信号输出端等组成。本发明具有温度稳定性好,灵敏度与分辨率高、响应速度快、功耗低、抗辐射、体积小等优点。它既可测量多点微压力与微位移,又可感知被测物体的相应形貌,是一种用途极为广泛的集成真空微电子触觉传感器阵列。
文档编号G01D5/14GK1297145SQ9912460
公开日2001年5月30日 申请日期1999年11月18日 优先权日1999年11月18日
发明者温志渝, 江永清, 何清义, 吕果林, 林鹏, 蒋子平 申请人:重庆大学