壓電微懸臂梁陣列納克傳感器設(shè)計(jì)與加工方法基礎(chǔ)研究.pdf

1、壓電微質(zhì)量傳感器又稱微量天平(microbalance)，能夠檢測微小質(zhì)量的物質(zhì)。這類傳感器廣泛使用懸臂梁這一機(jī)械結(jié)構(gòu)，是壓電效應(yīng)與MEMS技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。針對目前懸臂梁壓電微質(zhì)量傳感器主要在非液體環(huán)境中使用，對于納克（ng，1×10－9g）級物質(zhì)檢測精度不高等實(shí)際問題，本文試圖在結(jié)構(gòu)和材料方面對微質(zhì)量傳感器做出改進(jìn)，通過理論分析和有限元軟件ANSYS的模擬，確定一種高性能的微質(zhì)量檢測傳感器設(shè)計(jì)，并利用MEMS工藝技術(shù)制作出來，使之能夠

2、在非液體和液體環(huán)境中比較精確地檢測ng級納米粒子。 懸臂梁的性能決定了該微質(zhì)量傳感器的性能，尺寸又對懸臂梁的質(zhì)量敏感性有著決定性影響。在相同質(zhì)量的前提下，越短越厚的懸臂梁基頻越高，質(zhì)量敏感性越大。該傳感器上單個懸臂梁的尺寸結(jié)合試驗(yàn)室工藝條件制定，整體為500×300×3μm，為Si3N4/ Au/Cr/ PZT/ Pt/Ti/ SiO2(1/0.27/0.03/0.45/0.2/0.05/1μm)七層結(jié)構(gòu)。 在液體中進(jìn)

3、行采樣測試時，傳感器探頭的有效部分僅僅是懸臂梁。在不降低單個懸臂梁質(zhì)量敏感性的前提下，為了擴(kuò)展采樣空間，提高檢測精度，采用懸臂梁陣列方案，同時盡可能減少主干部分的面積。結(jié)合實(shí)際工藝條件，在探頭上排布10個懸臂梁，使該傳感器探頭在液體中的有效檢測面積比達(dá)到28％。 理論分析時，懸臂梁表面吸附的微量物質(zhì)用一個質(zhì)量層來等效。經(jīng)過計(jì)算，該懸臂梁在空氣中的固有諧振頻率為8446Hz，表面吸附100ng物質(zhì)引起頻變?yōu)椋?50Hz，變化率為1

4、.8％。Δm<1μg時，Δf－Δm曲線保持了較好的線性。ANSYS模擬的結(jié)果與理論一致，該懸臂梁對微質(zhì)量的檢測基本上達(dá)到了ng級。同時，ANSYS還模擬了該懸臂梁在液體中的振動，結(jié)果在水中的諧振頻率降為6.2Hz，基本處于停振狀態(tài)，驗(yàn)證了該懸臂梁直接在液體中進(jìn)行微質(zhì)量檢測的不可行性。但是，利用該傳感器可以對液體中微量物質(zhì)進(jìn)行間接檢測。 作為壓電層的PZT薄膜對壓電懸臂梁的性能有著決定性影響。Sol－gel方法制備PZT薄膜時，采

5、用改良的快速熱處理工藝來進(jìn)行晶化處理。制得的PZT薄膜，具有平整的表面形貌、優(yōu)越的結(jié)構(gòu)取向、均勻致密的晶粒、極小的漏電流、較高的介電常數(shù)和較低的介電損耗，為該壓電懸臂梁的制作提供了良好的材料基礎(chǔ)。 在該傳感器制作加工過程中，干法刻蝕控制精確，且不受材料結(jié)構(gòu)各向異性的影響，用于刻蝕Pt/Ti電極。Lift－off法避開了會對晶片產(chǎn)生一定損傷的刻蝕工藝，操作方便，用于形成上電極和導(dǎo)線層。PECVD因其較低的工作溫度，用于形成Si3N