[发明专利]微机械与纳机械器件中的金属薄膜压阻传感及其在自感测SPM探针中的应用

说明书

对相关申请的交叉引用

本专利申请是2004年4月16日提交的、序列号为10/826007的美国申请的部分继续申请，它要求2003年5月7日提交的、序列号为60/468452的美国临时申请的优先权。本申请还要求2004年4月15日提交的、序列号为60/562652的美国临时申请的优先权。此处通过引用将所有上述申请包含在本文之中。

技术领域

本发明涉及用于微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)的压阻传感器。

背景技术

压阻位移检测技术对微机电系统和纳机电系统(MEMS和NEMS)均具有较强的吸引力，因为可以将它们完全引入上述系统，且这些技术易于使用。应用的例子包括扫描探针显微分析、力和压力传感器、流量传感器、化学和生物传感器以及诸如加速度计和运动换能器等惯性传感器。大多数这些应用均使用p型掺杂的硅层作为感测元件。掺杂后的硅具有相当高的灵敏系数(20～100)，但也具有较高的薄层电阻(10千欧/平方)，因而具有相对较大的热噪声本底(noisefloor)。由于掺杂后的硅的载流子密度低，因而可预期在它之中存在高得多的1/f噪声。另外，半导体压敏电阻器的制造过程(如离子注入或分子束外延)既复杂又需付出高昂的成本。最后，半导体材料很容易遭到加工损坏。因此它们不适于某些纳米级的应用。

需要为微机电与纳机电系统提供更为灵敏的、更易于制造的和更廉价的压阻感测元件，然而，该需求尚未得到满足。

发明内容

一种微机械或纳机械器件，包括可移动元件和用于对该可移动元件的移动进行压阻感测的金属膜。

一种制造SPM探针的方法，包括：提供衬底；在所述的前侧和后侧形成掩膜层；在所述掩膜层上形成图案；使用所述衬底的前侧上的已形成图案的掩膜层来形成所述衬底的所述前侧中的SPM尖端；在所述衬底的所述前侧上形成已形成图案的金属膜压阻传感器；以及从所述后侧起穿过后侧的掩模层中的开口来蚀刻所述衬底，以形成支持所述SPM尖端和所述金属膜的悬臂。

一种操作包括可移动元件和压阻膜的微机械或纳机械器件的方法，该方法包括偏置所述压阻膜和检测所述膜的压阻响应来确定所述可移动元件的移动量。

附图说明

图1a和1b是根据本发明的实施例的示范性器件的SEM图像。

图2和图3是图1a中的器件的谐振响应曲线。

图4是图1b中所示器件的热机械噪声频谱密度。示出了前两个模式。且数据被拟合为洛伦兹函数。

图5a是根据本发明的实施例的器件的三维示意图。

图5b是根据本发明的实施例的AFM探针的SEM图像。

图7、14和15是用于测试本发明的器件的测试配置示意图。

图6和图8是根据本发明的实施例的器件的压阻响应曲线。

图9是金属薄膜压敏电阻器的噪声频谱曲线。

图10是压阻探针的测力压痕曲线。

图11a是从直接轻敲模式中获得的3维形貌图。图11b是从对金属薄膜压敏电阻器的锁定测量中获得的3维形貌图。

图12a-h是自感测非接触/轻敲模式压阻SPM探针的制造流程中的各个步骤的侧截面图。

图13a-h是自感测接触模式压阻SPM探针的制造流程中的各个步骤的侧截面图。

具体实施方式

本发明的实施例针对用作微机械和纳机械系统中的压阻自感测元件的金属膜。这些系统最好包括微机电系统和纳机电系统。

微机电系统和纳机电系统所包括的器件具有的特点是：至少在一个维度上，最好在两个或三个维度上，它们的尺寸分别为1微米至100微米和1纳米至小于1微米。这些特征最好包括可移动特征或元件(如悬臂、振动膜、固定梁、线等)。微机电和纳机电系统包括(但不限于)扫描探针显微镜(″SPM″)，如原子力显微镜(″AFM″)、力和压力传感器、流量传感器、化学和生物传感器，以及诸如加速度计与运动换能器之类的惯性传感器。例如，化学和生物传感器可包括一个或多个表面涂覆着能有选择地结合化学或生物分析物(如包含或由所关心的化学或生物种群组成的气体或液体分析物)的材料的悬臂。

术语“膜”包含厚度约为100纳米至约10微米的相对较薄的金属膜、厚度约为10纳米至约100纳米的薄金属膜和厚度小于10纳米的超薄金属膜(如不连续金属膜或岛型金属膜等)，以下将对此进行更为详细的描述。术语“金属”包括纯金属或基本上较纯的金属和金属合金。