[发明专利]基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统和传感技术领域，特别涉及一种基于碳纳米管场致发射位移敏感特性的基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计。

背景技术

近年来，利用微机电系统技术制作的微机械传感器特别是加速度计，以其体积小、成本低、易于集成和批量生产等优点，在军事、汽车、航天、医疗等领域获得广泛的应用。在微重力测量等航空航天等领域，由于加速度计的输出信号比较微弱，若要大幅度提高加速度计的测量准确度，一方面应需要不断改善测试电路，另一方面还需要从敏感原理上对传感器本身进行改进。目前常见的检测方式主要有压阻式、电容式、隧道效应式等：压阻式检测是通过检测敏感梁上应力的变化来检测加速度；电容式检测是通过检测质量块位置变化而引起的电容变化来检测加速度，电容变化量很小，受温度、杂散电容、电磁干扰等的影响严重，测试电路的实现难度非常大；隧道效应式是利用隧道电流对位移变化的敏感特性来检测加速度，这种传感器加工难度较大，目前成品率不高。

场致发射是金属、半导体等在外部强电场作用下，阴极表面势垒降低或者减薄，从而产生量子隧道效应，使电子由隧道从固体表面发射出来。相对其他电子发射形式而言，场致电子发射具有电流密度大、光源尺寸小、能量分布相对较窄、空间相干度高等优点，最关键的它是一种冷电子源，因而场致发射在真空电子器件、高能加速器电子源、高频功率放大元件、平板显示器件(FED)、扫描电子显微镜、集成电路制造以及微传感器等领域有着广泛应用。

近年来发展起来的碳纳米管是非常好的电子发射体。其长径比大，是理想的一维材料；具有纳米尺度的尖端曲率半径，在相对较低的电压下就能够发射大量的电子，尖端放电特性非常好；通过合适的生长工艺能排列成与表面垂直的均匀阵列，因此发射电流密度大，最大可至10mA/cm²；此外还具有超常的机械强度、韧性和化学稳定性，可以提高场致发射阵列的寿命和强度。

电泳沉积(EPD)制备碳纳米管的方法是利用碳纳米管在电场作用下带负电，易于沉积在阳极的特点，将碳纳米管沉积在我们需要的地方。这种方法操作简单，适应性强，反应温度低，适合使用在MEMS工艺后的处理，易与MEMS器件相结合。

发明内容

本发明的目的在于克服加速度计灵敏度检测存在的缺陷，而提供一种基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计，其采用微机电(MEMS)电泳沉积碳纳米管制备技术，在芯片(硅岛)上制作基于梳齿对结构的碳纳米管场致发射微机械加速度计，具有尺寸小、灵敏性高、功耗低、抗辐射、耐高低温等诸多优点，而且加工工艺简单，易于推广应用。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的基于碳纳米管场致发射的梳齿结构微机械加速度计，由一硅质上硅片10和一下玻璃片20组成；其特征在于，所述硅质上硅片10包括：

一片状硅岛2，所述片状硅岛2相对的两侧面上带有垂向可动梳齿型阳极6；

分别位于所述片状硅岛2的垂向可动梳齿型阳极6端的N对固定在固定块一1上的垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极61；所述垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极61由硅质垂向梳齿和通过电泳沉积在所述硅质垂向梳齿的垂向侧面上的碳纳米管层组成，其中，N＝1～100；

所述垂向可动梳齿型阳极6的垂向梳齿插于所述垂向固定梳齿型碳纳米管场致发射阴极61的垂向梳齿之间，梳齿间留有间隙；和

分别连接于所述片状硅岛2另外相对两侧面上的连接于硅质固定块二71上的回形梁7；

所述下玻璃片20位于所述硅质上硅片10之下，之间通过在真空腔中溅射或蒸镀于所述下玻璃片20与所述硅质上硅片10上的各固定块之间的金属膜层共熔键合连接形成悬空结构；由固定块上的金属膜层引出的接线端子与外置检测电路电连接。

所述的金属膜层为依次溅射或蒸镀于所述下玻璃片20与所述硅质上硅片10上的各固定块之间的Ti膜层、Pt膜层和Au膜层。