[发明专利]利用单根微机械悬臂梁实现多种物质检测的方法

权利要求书

1.利用单根微机械悬臂梁实现多种物质检测的方法，其特征在于在单根微机械悬臂梁高阶弯曲模态振幅为零处和微机械悬臂梁的自由端处表面分别淀积不同的待测物质的敏感膜，通过扫频得到检测前后的各阶模态谐振频率，从而计算出不同物质的吸附质量；

(a)所述的微机械悬臂梁为长条形，长条形悬臂梁n阶弯曲模态的模态函数为：

式中l为悬臂梁的长度，x为悬臂梁长度方向上的坐标，k是一个取决于悬臂梁长度的常数，k₁l＝1.875，k₂l＝4.694；

(b)当n＞2时，k_nl＝(n-0.5)π，微机械悬臂梁长度方向上不同位置的质量检测灵敏度表示为：

其中ω_n和m_eff分别是谐振梁的n阶弯曲模态谐振角频率和有效质量；

(c)单根微机械悬臂梁一阶和二阶弯曲模态振幅为零处的N位置和单根微机械悬臂梁自由端处E位置，通过记录吸附前后悬臂梁一阶和二阶弯曲模态的频率变化，不同位置的吸附量由下述二个公式求得：

式中Δm_E、Δm_N分别表示E位置和N位置吸附质量，m_eff是谐振梁的n阶弯曲模态的有效质量，ω₁和ω₂分别为一阶模态和二阶模态的频率，Δω₁和Δω₂为一阶模态和二阶模态的频率变化。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于高阶弯曲模态振幅为零处的位置，分别选取2阶、3阶直到n阶的各一个质量检测灵敏度为零的位置，通过检测各阶谐振频率的变化实现一梁n测。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于在微机械悬臂梁的自由端表面淀积待测物质的敏感膜是通过自组装生长、有点样功能的仪器或手工涂覆。

4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于： 

①所述的悬臂梁的材料为硅、锗、砷化镓、氧化硅、氮化硅、碳化硅或以上多种材料的复合；

②所述的悬臂梁激励方式为电磁激励、静电激励、逆压电激励、电热激励或光热激励；

③所述的悬臂梁的检测方式为压电拾振、电容拾振、电磁拾振、光信号拾振或压敏电阻拾振。

5.制作如权利要求1所述的方法中所使用的微机械悬臂梁的方法，其特征在于硅微机械悬臂梁的制作步骤是：

(a)采用N型SOI硅片，将顶层硅减薄至悬臂梁厚度，热氧化形成 氧化层；

(b)用光刻胶做掩模，光刻出悬臂梁正面图形，用缓冲氢氟酸腐蚀掉氧化硅形成悬臂梁图形；用光刻胶做掩模，光刻出敏感电阻的图形，采用离子注入工艺进行硼离子掺杂、在1000℃退火30分钟活化注入的硼离子形成具有压阻效应的敏感电阻，其方块电阻值为200欧姆；

(c)用光刻胶做掩模，光刻出压阻引线孔图形，用缓冲氢氟酸腐蚀掉氧化硅形成引线孔；溅射厚度在 以上的铝薄膜，依次光刻、腐蚀、去胶，同时形成驱动线圈和压阻引线；在480℃合金化30分钟与压阻形成欧姆接触；在硅片正面采用等离子增强化学气相沉积工艺形成二氧化硅保护层，用光刻胶做掩模，光刻出保护层图形，用反应离子刻蚀工艺去掉多余的氧化硅；

(d)在硅片上涂光刻胶，光刻显影，蒸发金薄膜，采用剥离工艺形成金薄膜；金薄膜所在的E位置与N位置经过精确计算得到，并且利用光刻技术精确形成；再一次采用剥离工艺，在E位置的金薄膜上形成一层钛薄膜，完全挡住金膜；

(e)用光刻胶做掩模，光刻形成悬臂梁结构图形，采用深反应离子刻蚀工艺正面刻蚀，形成悬臂梁结构；背面用光刻胶做掩模，双面光刻形成背面刻蚀图形，采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀体硅至SOI中间氧化层；

(f)用缓冲氢氟酸腐蚀掉SOI中间氧化层，释放悬臂梁结构，完成悬臂梁器件制作。