基于硅悬臂梁谐振器气体传感器

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1、基于硅悬臂梁谐振器的新型气体传感器摘要研究了一种基于硅悬臂梁谐振器的新型气体传感器。该传感器的敏感环境中，可同时获得敏感膜电导率和质量变化，测量被测气体分子的荷质比，具有高灵敏度和高选择性。根据这一原理，针对气体传感器的需求，设计了硅悬臂梁谐振器化学传感器结构，进行了仿真优化，并采用MEMS表面牺牲层工艺制备该器件，激光频率仪测量验证了该微型谐振梁的谐振频率。关键词：MEMS；气体传感器；荷质比；牺牲层工艺1.引言微气体传感器在化学气相检测和应用方面有着很大的潜力，现在有很多研究都旨在改善微型传感器的化学选择性差和识别选择性差等弊端。传统传感器通过测量谐振电导和频率来检测气体

2、。由于可以通过荷质比来确定来确定原子，所以我们计划通关过测量气体分子荷质比来达到气体检测的高选择性，因此我们设计了一种能够都是测量气体分子的电荷和质量的传感器。经过传感器的气体被气体敏感膜吸收后，通过测量气体敏感膜的电导率和谐振器的转换频率就能够获得气体的电荷和质量。在这篇论文中，我们呈现了一个基于硅悬梁谐振器的气体传感器的设计过程，这种结构具有较高的敏感性、精确性、分辨率和稳定性。因为它应用了集成电路技术，将能够很好的减小传感器的尺寸并增加它上面的电路。实验结果表明这种基于硅悬梁谐振臂的结构表现非常好，并且非常适合气体传感器的应用。2.设计我们的这种微气体传感器结构是一种硅

3、微型桥梁结构，如图1所示。这种气体传感器是通过检测谐振梁上敏感气体膜在吸收气体时谐振频率的改变来测量气体的。传感器的第一层是SiO2/Si3N4，作为绝缘隔离层。第二层是多晶硅，作为底电极来检测硅谐振梁的振动。一个2㎜厚的PSG层作为牺牲层，在最后一步中在HF中被刻蚀掉。谐振器的微结构是双层的，在上面沉积Si3N4/多晶硅/Si3N4。最上层的Si3N4作为位于顶部的导线电极和多晶硅电极的隔离层。这三层的厚度分别为200,1000，和200nm。正如图2中所示，设计了6种谐振器。我们考虑的结构有三种形状：长方形，两脚架和三脚架矩形梁；并且有两种长度：350和500微米。在梁上

4、的角的顶部，作为顶电极主要导线，放置了一个100nm的加热/探测的敏感元件沉积薄膜电阻。另外一个100nm的Au放置在角上作为一个平板。最上面的一层是能够吸收气体分子的气体敏感薄膜。我们用ANSYS5.4这个有限元分析软件，来模拟硅梁的振动模式。模拟结果如图3所示。在第一种模式中，在梁界面一点处的拉应变和压应变界面是悬挑梁长度的0.225倍。在这些数值模拟结果的基础上，我们在梁的中间放置了一个加热器和温度探测器，而在固定的两端防止了一个激振器和检测器。由于Si3N4的多余拉应力会影响微气体感应器的性质，因此我们通过离子植入法莱提高这一薄膜层得机械性能。图4表明了离子能量和剂量

5、的影响。1.制造制造过程如图5所示。双面抛光直径100mm的n型（100）硅片厚度为400μm，它作为基板。制造它们用的是200nm的热二氧化硅和200nm的低压化学气相沉积高硼掺杂Si3N4。而由400nm的聚硅和2um的PSG层组成的底电极是用低压化学气相沉和蚀刻法制成的。一个聚硅边面是通过用活跃的离子蚀刻制成的，这样铂丝将能够在梁的拐角处平滑。然后我们用Si3N4/聚硅/Si3N4的沉积和蚀刻来形成硅梁。在对Si3N4层沉积之后，离子植入和退后过程要在考虑参数的情况下认真的控制，而这些参数是在制造前通过应力控制实验获取的。由于铂的线性抵抗能力随着温度而发生变化，它可以作

6、为加热器，也可以用于敏感薄膜的温度探测器。这一层，包括铂导线的上点击以及叉指电极的敏感膜电阻器，都是利用升空过程制成的。加热单元的宽度为4um，而加热器和探测远见的宽度为8um。传感器制造的下一步就是通过机械来生成敏感薄膜，与高频的牺牲层释放（40％），供升华7分钟。2.结果与讨论硅梁的制造结果如图6所示。我们可以看到，梁的应力得到了很好的控制，并且边墙甚至可以足以避免破裂导线。硅梁处于一个静电激活模式，而这些是利用系列直流和交流电源达到的，它们分别连到了电极的底部和顶部。直流电源电压为15V，而交流电源振幅为9.8V。交流电的频率与模拟数值上下波动30%。共振频率是使用激光

7、频率测量光程差使用的工具测定的。当硅梁与交流电源频率相同时，连接到设备上的示波器能达到它的最大值。不具有敏感薄膜的硅梁其频率为41.6kHZ，这与先前的模拟结果很接近。气体传感器暴露于不同浓度的水蒸气。起到蒸气浓度功能的敏感膜的频率和电导率变化已经测得并且显示在图7。硅梁的尺寸为300umX500um。在以后的文章中将会谈到更多的细节。1.结论我们制造了一个基于硅梁谐振器的微型气体传感器。当气体分子被敷在硅梁上的敏感薄膜吸收之后，梁的频率就会下降，这是由于附加的大气团造成的。并且，与此同时，薄膜的电导率