[发明专利]利用单根集成电阻同时实现驱动及自清洗的微机械悬臂梁

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用单根集成电阻同时实现驱动及自清洗的微机械悬臂梁的结构、制作方法及应用。本发明属于微机械传感器领域。

背景技术

传感器是测量仪表及检测系统的基础。传统的传感器通过改变电阻、电容或电感等电学量来测量压力、温度、位移等非电量，并以电压和电流信号输出。在传感器和控制电路之间需要增加A/D转换器，这不仅降低了系统的可靠性、响应速度和测量精度，而且增加了成本。谐振式传感器的输出量是频率信号，精度及分辨率高，长期稳定性好，可通过简单的数字电路实现与计算机的接口，从而省去结构复杂、价格昂贵的A/D转换装置。发展谐振式传感器，适应以微处理器为中心的数字控制系统是传感器发展的重要方向之一。但是，现已使用的谐振式传感器(如谐振筒、谐振梁、谐振膜、谐振弯管)结构尺寸较大，结构复杂，价格昂贵，谐振频率和灵敏度低。随着微电子技术和微机械加工技术的发展以及在传感器中的应用，用微机械加工技术制造出的微机械谐振式传感器，引起了人们的特别兴趣。微机械谐振式传感器的敏感元件是用微电子和微机械工艺制作的微悬臂梁、微桥(双端固支梁)、方膜(或圆膜)等谐振子，利用其谐振频率、振幅或相位等作为敏感测量的参数，可用来测量压力、真空度、角速度、加速度、流量、温度、湿度和气体成分等物理量。谐振器的驱动方式有电磁驱动、静电驱动、逆压电驱动、电热驱动、光热驱动等，其检测方式(即拾振方式)有压电拾振、压敏电阻拾振、电磁拾振、电容拾振、光学拾振等。

悬臂梁谐振器一端固定，另一端自由，自由端可释放器件制作时在梁中形成的残余应力，谐振频率不受封装应力的影响。悬臂梁谐振器的形状有直条形、变截面直条形、U形梁、三角梁、音叉梁等，已在原子力显微镜(AFM)探针(轻敲模式和非接触模式)、微机械电子滤波器、振荡器、生化传感器等器件上得到广泛应用。

作为质量敏感的谐振式微机械悬臂梁传感器由于具有高分辨率、高灵敏度、快速响应和数字式输出信号等特点，在环境监测、医疗诊断等方面具有广阔的应用前景。该传感器的核心部件是谐振状态下的悬臂梁及其谐振驱动和敏感元件。当通过生化特异性吸附将待测物吸附在悬臂梁表面时，悬臂梁等效质量的变化使悬臂梁固有谐振频率发生变化，通过检测该谐振频率的变化量能高精度地定量分析待测物的含量。[N.V.Lavrik，M.J.Sepaniak，P.G.Datskos，Cantilever transducers as a platform for chemical and biological sensors，Review of Scientific Instruments，75，2229(2004)]。传统的谐振式悬臂梁传感器在检测完成后，只能在室温下通过待测物本身的解吸附使信号回复，再次检测需要等待较长的时间。为了加速信号回复，一种方法是通过紫外线照射[LiC.，Zhang D.H.，Liu X.L.，Han S.，Tang T.，Han J.and Zhou C.W.2003 In2O3nanowires as chemical sensors，Applied Physics Letters，vol.82，pp.1613-1615]。这种方法需要体积庞大的设备，不利于便携式传感器使用。提高温度也是一种有效的方法，这往往需要在悬臂梁上增加一个加热部件，增加了器件的复杂程度。

发明内容