压电微悬臂梁阵列纳克传感器设计与加工方法基础研究

摘要

压电微质量传感器又称微量天平(microbalance)，能够检测微小质量的物质。这类传感器广泛使用悬臂梁这一机械结构，是压电效应与MEMS技术结合的产物。针对目前悬臂梁压电微质量传感器主要在非液体环境中使用，对于纳克（ng，1×10－9g）级物质检测精度不高等实际问题，本文试图在结构和材料方面对微质量传感器做出改进，通过理论分析和有限元软件ANSYS的模拟，确定一种高性能的微质量检测传感器设计，并利用MEMS工艺技术制作出来，使之能够在非液体和液体环境中比较精确地检测ng级纳米粒子。 悬臂梁的性能决定了该微质量传感器的性能，尺寸又对悬臂梁的质量敏感性有着决定性影响。在相同质量的前提下，越短越厚的悬臂梁基频越高，质量敏感性越大。该传感器上单个悬臂梁的尺寸结合试验室工艺条件制定，整体为500×300×3μm，为Si3N4/ Au/Cr/ PZT/ Pt/Ti/ SiO2(1/0.27/0.03/0.45/0.2/0.05/1μm)七层结构。 在液体中进行采样测试时，传感器探头的有效部分仅仅是悬臂梁。在不降低单个悬臂梁质量敏感性的前提下，为了扩展采样空间，提高检测精度，采用悬臂梁阵列方案，同时尽可能减少主干部分的面积。结合实际工艺条件，在探头上排布10个悬臂梁，使该传感器探头在液体中的有效检测面积比达到28％。 理论分析时，悬臂梁表面吸附的微量物质用一个质量层来等效。经过计算，该悬臂梁在空气中的固有谐振频率为8446Hz，表面吸附100ng物质引起频变为－150Hz，变化率为1.8％。Δm<1μg时，Δf－Δm曲线保持了较好的线性。ANSYS模拟的结果与理论一致，该悬臂梁对微质量的检测基本上达到了ng级。同时，ANSYS还模拟了该悬臂梁在液体中的振动，结果在水中的谐振频率降为6.2Hz，基本处于停振状态，验证了该悬臂梁直接在液体中进行微质量检测的不可行性。但是，利用该传感器可以对液体中微量物质进行间接检测。 作为压电层的PZT薄膜对压电悬臂梁的性能有着决定性影响。Sol－gel方法制备PZT薄膜时，采用改良的快速热处理工艺来进行晶化处理。制得的PZT薄膜，具有平整的表面形貌、优越的结构取向、均匀致密的晶粒、极小的漏电流、较高的介电常数和较低的介电损耗，为该压电悬臂梁的制作提供了良好的材料基础。 在该传感器制作加工过程中，干法刻蚀控制精确，且不受材料结构各向异性的影响，用于刻蚀Pt/Ti电极。Lift－off法避开了会对晶片产生一定损伤的刻蚀工艺，操作方便，用于形成上电极和导线层。PECVD因其较低的工作温度，用于形成Si3N4薄膜。在腐蚀Si3N4时，配制的腐蚀液具有很强的刻蚀力，钻蚀轻微，效果很好。