专利名称：一种三梁结构电磁激励/电磁拾振微桥谐振器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微(机械)桥谐振器的结构，特别是一种具有三梁结构的电磁激励/ 电磁拾振微桥谐振器，属于微电子机械系统(Micro Electro Mechanical systems, MEMS) 领域。
二.
背景技术：
微谐振器是一种典型的微电子机械器件。其结构形式包括由微细加工技术制作的 微悬臂梁、微桥(双端固支梁)、方膜(或圆膜)、梳状叉指等。基于微谐振器实现的谐振式 传感器的输出信号是频率型信号，适合于远距离传输；具有数字传感器的特征，可不经A/D 转换器而方便地与数字系统或计算机连接；精度及分辨率高，功耗低，长期稳定性好，抗干 扰能力强。基于微谐振器的谐振式传感器利用微谐振器的谐振频率、幅值和相位等参数敏感 被测量，广泛用于测量压力、真空度、角速度、加速度、流量、湿度、气体成分、DNA、抗体-抗 原的特异性结合、酶活性以及受体-配体的结合等物理、化学和生物量。对于以幅值或相位 敏感被测量的谐振式传感器，通常采用相对(参数)测量，即通过测量幅值比或相位差来实 现。利用谐振频率敏感被测量的谐振式传感器的工作原理当被测量变化时，直接或间接 (通过转换元件)引起谐振器等效刚度或等效质量的变化，从而调制谐振器的谐振频率，通 过测量谐振频率的变化，获知被测量的大小。微谐振器的振动激励方式包括静电激励、电磁激励、电热激励、压电激励、光热激 励等。谐振器变形检测(也称拾振)方式包括电容拾振、电磁抬振、压阻拾振、压电拾振、 光干涉拾振等。电磁激励微梁谐振器的工作原理是在恒定的外加磁场下，在谐振梁上的导 体中通以交变电流，则谐振梁受到方向交变的磁场力作用，由此进行往复运动。通过调节交 变电流的频率，改变交变磁场力的频率，从而使磁场力的频率等于谐振梁的固有频率而实 现谐振。电磁抬振的原理是梁振动时切割磁力线而在产生感应电动势，通过检测感应电动 势的频率获得微桥的固有频率。电磁激励/电磁检测微桥谐振器一般采用H型梁结构。H型梁微桥谐振器由一根 激振梁、一根拾振梁和一根连接在激振梁和拾振梁中间的短梁组成。日本横河株式会社的 EJA系列智能变送器所采用的H型梁微桥谐振器工作时需要外加垂直于谐振梁而与芯片表 面平行的磁场。在激振梁的激振电极之间外加周期性交变电压，电流从激振梁上流过，激振 梁受到洛仑兹力，随着电压方向的变化，洛仑兹力方向也随之周期性变化，从而使得激振梁 因受到方向周期性变化的力而在垂直于芯片表面方向振动，并通过中间的短梁带动拾振梁 振动。当拾振梁振动时，因切割磁力线而在拾振电极之间产生感应电动势，其频率与激振梁 所加电压相同。当所加电压频率接近或等于整个谐振梁的固有频率时，谐振梁发生共振，振 幅达到最大，从而在拾振电极之间的感生电动势的幅值也达到最大。通过检测拾振梁所产 生的感生电动势大小来确定谐振梁的固有频率。中国科学院高振宁等人提出的另外一种H 型梁微桥谐振器。工作时外加垂直于谐振梁上表面而与谐振梁垂直的磁场，当在激振梁的激振电极之间外加周期性交变电压时，激振梁因产生电流而受到洛仑兹力，随着电压方向 的变化，洛仑兹力方向也随之周期性变化，从而使得激振梁因受到方向周期性变化的力而 在芯片表面所在的平面内产生振动，并通过中间的短梁带动拾振梁振动。当拾振梁振动时， 因切割磁力线而在拾振电极之间产生感应电动势，其频率与激振梁所加电压相同。当所加 电压频率接近或等于整个谐振梁的固有频率时，谐振梁将发生共振，拾振梁的振幅达到最 大，从而拾振电极之间的感生电动势的幅值也达到最大。通过检测拾振梁所产生的感生电 动势大小来确定谐振梁的固有频率从而达到检测目的。
三.发明内容本发明的目的在于发明一种三梁结构的新型电磁激励/电磁拾振微桥谐振器。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是微桥谐振器由两根激振梁1、一根 拾振梁2、金属导线3、4、5、多根短梁6、衬底7组成。拾振梁2位于两根激振梁1之间，并且 平行于激振梁1。激振梁1和拾振梁2之间通过垂直于激振梁1和拾振梁2的多根短梁6 连接。金属导线3、4分别位于两根激振梁1上，金属导线5位于拾振梁2上。本发明所涉及的三梁结构的新型电磁激励/电磁检测微桥谐振器的工作原理如 下采用永磁体给微桥谐振器提供一个恒定的外部磁场，磁场方向平行于芯片表面，并且与 激振梁1垂直。在两根激振梁1上的金属导线3、4上通过方向相同的交变电流，使得两根 激振梁1均在垂直于芯片表面的方向产生横向振动。并通过激振梁1和拾振梁2之间短梁 6带动中间的拾振梁2也产生横向振动，当激振梁1上通过的交变电流的频率与微桥谐振 器的固有频率相同时，微桥谐振器达到谐振状态，拾振梁2的振幅达到最大，从而在拾振梁 2上的金属导线5两端的感生电动势的幅值也达到最大。通过检测感生电动势大小来确定 谐振梁的固有频率。本发明所涉及的三梁结构的新型电磁激励/电磁拾振微桥谐振器可采用以下的 基本制作工艺流程制作1原始材料为低掺杂硅片。2利用氧化、低压化学气相淀积(LPCVD)等方法在硅片正面制作组成微桥谐振 器的薄膜材料，如热氧化法生长的二氧化硅、低压化学气相淀积的氮化硅薄膜等。3蒸发或溅射金属薄膜(如铝、金等)，光刻、腐蚀相结合制作金属引线3、4、5。4根据需要，采用等离子体化学气相淀积或溅射工艺制作组成微桥谐振器的其 它薄膜材料(如氮化硅薄膜)。5在硅片正面光刻出激振梁1、拾振梁2、短梁6的形状，腐蚀或刻蚀第2)步和第 4)步生长的双层或多层薄膜。如果组成微桥谐振器的材料包括硅，还需要腐蚀或刻蚀薄膜 材料下面的硅衬底。6光刻、刻蚀相结合暴露出压焊点。7背面光刻腐蚀窗口(也可在第2到第6步任意两步工艺之间进行)，各向 异性干法刻蚀或湿法腐蚀释放微桥谐振器。8划片，焊接外引线。本发明所涉及的三梁结构的新型电磁激励/电磁拾振微桥谐振器的优点在于拾 振梁2两侧的激振梁1通过短梁6带动拾振梁2在垂直于芯片表面横向振动、结构简单、易于起振和制作。本发明所涉及的三梁结构的新型电磁激励/电磁拾振微桥谐振器的另一优点是 其输出信号是微桥谐振器的谐振频率，适合于远距离传输；可不经A/D转换器而方便地与 数字系统或计算机连接，具有数字传感器的特征；受电路噪声影响很小，精度及分辨率很 高；长期稳定性好，抗干扰能力强。本发明所涉及的三梁结构的新型电磁激励/电磁拾振微桥谐振器由微细加工技 术制作，易于实现阵列化和系统集成，大批量生产成本低，适合于远距离传输；功耗低，长期 稳定性好，抗干扰能力强。
四.
图1是本发明所涉及的三梁结构的新型电磁激励/电磁拾振微桥谐振器的结构示 意图。其中图1. (a)是俯视图；(b)是图(a)沿AA'方向的截面图。图2是作为本发明的一个实施例的电磁激励/电磁拾振的二氧化硅/氮化硅微桥 谐振器的制作工艺流程图。其中1—激振梁 2——拾振梁 3、4、5——金属导线6——短梁 7——衬底
五.具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。实施例利用本发明的技术方案制作一种电磁激励/电磁拾振的二氧化硅/氮化 硅微桥谐振器。其中微桥谐振器由热氧化法生长的二氧化硅和等离子体化学气相淀积法淀 积的氮化硅薄膜组成，金属导线为铝线。其制作工艺流程如下1原始材料为N型、(100)面硅片，电阻率1 10Ω.cm双面抛光的硅片。(见 附图2(a))2热氧化生长二氧化硅薄膜。(见附图2(b))3蒸发或溅射铝薄膜，光刻、腐蚀相结合制作金属引线3、4、5。(见附图2(ca))4采用等离子体化学气相淀积法淀积氮化硅薄膜。(见附图2(d))5在硅片正面光刻出激振梁1、拾振梁2和短梁6的形状，腐蚀或刻蚀第2步生 长的二氧化硅薄膜和第4步生长的氮化硅薄膜。光刻压焊点、干法刻蚀氮化硅薄膜。去 胶。((见附图2(e))6背面光刻腐蚀窗口，各向异性干法刻蚀或湿法腐蚀释放微桥谐振器。(见附图 2(f))7划片，焊接引线。
权利要求一种三梁结构的新型电磁激励/电磁拾振微桥谐振器，其特征在于微桥谐振器由两根激振梁(1)、一根拾振梁(2)、金属导线(3)、(4)、(5)、短梁(6)、衬底(7)组成，其中所述的拾振梁(2)位于两根激振梁(1)之间，并且平行于激振梁(1)；激振梁(1)和拾振梁(2)之间通过垂直于激振梁(1)和拾振梁(2)的多根短梁(6)连接；金属导线(3)、(4)分别位于两根激振梁(1)上，金属导线(5)位于拾振梁(2)上。
2.根据权利要求1所述的三梁结构的新型电磁激励/电磁拾振微桥谐振器的特征在 于采用永磁体给微桥谐振器提供一个平行于芯片表面并与激振梁(1)垂直的磁场，如果 在两根激振梁(1)上的金属导线(3)、(4)中通过方向相同的交变电流，使得激振梁(1)在 垂直于芯片表面的方向产生垂直于芯片表面的横向振动，并通过短梁(6)带动中间的拾振 梁(2) —起产生横向振动，当激振梁(1)上通过的交变电流的频率与微桥谐振器的固有频 率相同时，在拾振梁(2)上的金属导线(5)两端的感生电动势的幅值也达到最大，微桥谐振 器达到谐振状态。
专利摘要本实用新型公开了一种三梁结构的新型电磁激励/电磁拾振微桥谐振器。微桥谐振器由两根激振梁和位于其间的一根拾振梁组成，激振梁和拾振梁通过多根短梁连接。采用永磁体给微桥谐振器提供一个平行于芯片表面并与微桥谐振器垂直的磁场。在两根激振梁上的金属导线中通过方向相同的交变电流，使得激振梁在垂直于芯片表面的方向产生横向振动，并通过短梁带动中间的拾振梁产生横向振动。当激振梁上金属导线中通过的交变电流的频率与微桥谐振器的固有频率相同时，微桥谐振器达到谐振状态，拾振梁上的金属导线两端的感生电动势的幅值也达到最大。该谐振器的优点在于拾振梁两侧的激振梁通过短梁带动拾振梁在垂直于芯片表面横向振动、结构简单、易于起振和制作。
文档编号H03H9/24GK201766561SQ20102015800
公开日2011年3月16日 申请日期2010年4月13日 优先权日2010年4月13日
发明者李方, 李青, 韩建强 申请人:中国计量学院