[发明专利]一种高灵敏度的镍/硅复合微悬臂梁及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微悬臂梁，特别涉及一种极微小力(10^-18N)检测用的高灵敏度的镍/硅复合微悬臂梁及其制备方法

背景技术

微悬臂梁是一种结构简单、易于进行微加工以及批量生产的传感器结构。微悬臂梁的长度和宽度一般在微米范围，而厚度在亚微米至纳米范围。微悬臂梁将被测量转化为自身的机械形变或谐振频率的变化，它有两种工作模式，即弯曲模式(静态模式)和共振(动态模式)。微悬臂梁最早是用于微力检测的传感器结构，现已成功地用于加速度传感器、原子力显微镜(AFM)和SFM探针、高灵敏度的化学气敏传感器和生化传感器以及射频RF电路发射器开关等。近年来，基于微悬臂梁的测量对象和应用范围日益增多，其测量对象增加到温度、热能、磁场、质量等；应用范围扩大到包括化学分析、生物检验、医药筛选、环境控制、气味(如香精酒类)鉴定、DNA检测等。此外，光学和红外探测、超高密度信息存储等领域是近年微悬臂梁应用的重要扩展。微悬臂梁具有灵敏度高，如蒸镀了双层金属膜的微悬臂梁作为温度传感器，灵敏度可达10^-5K；以微悬臂梁为换能元件的生物传感器灵敏度可达皮克量级。而且能批量加工，从而降低成本；可以实现10^-18N力的检测。微悬臂梁正向集成化和阵列结构发展。微悬臂梁的显著优点已经显示了在众多领域的良好应用前景。悬臂梁材料的选择是相当重要的，它决定了工艺的复杂性、成本高低、悬臂梁质量和成型性，但同时也受到所设计的微悬臂梁和探针的结构以及微细加工技术的限制。所以材料的选择必须依据成本、内应力控制难易和工艺稳定可行等众多因素考虑。根据不同的应用，可以使用多种材料加工微悬臂梁，如单晶硅、多晶硅、Si₃N₄、SiO₂、PZT、AI、Ni、Au、Pt。在实际设计和加工中一般都采用多层复合结构，比如采用单晶硅作为梁体结构时，作为保护一般在梁的表面氧化一层SiO₂，如果要作为反射束用的微镜面，还要溅射一层AI或其它金属作为反射面。薄膜微细加工技术制备的金属悬臂梁内应力大，悬臂梁容易变形，单晶硅湿法刻蚀成型的厚度控制工艺复杂，还可能引入内应力，干法深反应离子刻蚀(DRIE)成本很高，成型的均匀性也有待提高，化学气相沉积(CVD)Si3N4薄膜结构的应力控制要求极高，控制不好便会导致悬臂梁弯曲变形，而且阵列探针的成品率也难以保证。随着微电子技术的发展，由于微悬臂梁结构具有低成本、高灵敏度和批量生产等显著优点，可以预料基于微悬臂梁梁结构的传感器在物理、化学和生物传感器等领域的应用范围将变得越来越广。因此，迫切需要探索新的高灵敏度微悬臂梁结构和选择适合的材料。目前基于微悬臂梁极微小力检测已经显示了广泛的应用前景，如DNA解码、Casimir力检测、纳磁性粒子的测量、分子量子器件的制造和分析等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服目前在微悬臂梁结构和制作方法复杂，生成成本高，不能满足日益扩大的市场需要等问题，提供一种高灵敏度的镍/硅复合微悬臂梁及其制备方法，它可实现极微小力attonewton(10^-18N)的检测，以及复合微悬臂梁低成本批量制备。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种高灵敏度的镍/硅复合微悬臂梁，它包括硅底座，所述硅底座上设有Cr/Cu电铸种子层，在该层之上为金属镍微悬臂梁，在金属镍微悬臂梁的一端为中空圆锥形针尖，同时微悬臂梁梁体为中空结构。

一种高灵敏度的镍/硅复合微悬臂梁的制备方法，它的方法为，以中空圆锥形针尖和中空悬臂梁金属镍为基体，以硅为底座，其制作采用复合制备工艺，工艺基本流程是：

(1)硅片预处理；

(2)硅片背面释放窗口制作；

(3)硅片正面溅射电铸种子层；

(4)微悬臂梁和针尖纳米压印成型；

(5)针尖表面沉积电铸种子层；

(6)微电铸沉积金属镍；

(7)中空圆锥形针尖的制备；

(8)去除针尖另一侧微悬臂结构；

(9)底座的制作，完成高灵敏度的微悬臂梁的制备。