[发明专利]基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)技术的压力传感器芯片及其制备方法，特别是一种基于ZnO纳米线(ZnO nanowire)阵列的压力传感器芯片及其制备方法。

背景技术

随着传感器技术和MEMS技术的不断进步，有力地促进了压力测量技术的发展，出现了一些基于MEMS技术的压力测量新方法。压电式压力传感器就是诸多测量方法中的一种，基于压电效应的传感器是一种自发电式和机电转换式传感器，它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷，经电荷放大器、阻抗变换和测量电路放大后输出与所受外力成正比的电压信号。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是只能测试动态压力，一般不能测试静态压力，且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路来克服这一缺陷，此外，压电材料还需要防潮、隔离处理。

高密度、定向生长的ZnO纳米线作为一种具有良好压电性质的材料，可用来制备高频纤维声光器件及声光调制器等压电转换器，还可广泛应用在大容量、高速率光纤通信的光纤相位调制、反雷达动态测频、电子侦听、卫星移动通信、并行光信息处理等领域。ZnO既是半导体又有压电效应的特点，能够与金属产生肖特基接触，形成势垒，可解决一般压电元件需要高输入阻抗输出放大电路的问题，为进一步实现压电式压力传感器微型化提供了基础。

发明内容

本发明的目的在于供一种基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片及其制备方法，利用ZnO纳米线结构的特点，通过控制ZnO纳米线生长成合理的微结构，与金属形成肖特基接触，实现电荷积累到释放过程因而不需要高输入阻抗输出的放大电路。

为了实现上述目的，本发明基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片的制备方法采用如下技术方案：

一种基于ZnO纳米线阵列的压力传感器芯片的制备方法，包括制备ZnO纳米线压电元件的步骤、制备C型杯弹性元件的步骤和将ZnO纳米线压电元件和C型杯弹性元件结合的步骤；

制备ZnO纳米线压电元件的步骤：

(1)使用HF溶液清洗双面抛光的硅片，并将清洗后的硅片置于等离子处理系统中进行表面处理，等离子体处理的时间为5～20分钟，处理温度为20～300℃，处理完后进行烘干；

(2)在硅片两端淀积氮化硅；

(3)利用硅通孔技术在硅片上利用等离子刻蚀出通孔，通孔直径为20～30μm；

(4)在硅片上和通孔中淀积钛电极，作为ZnO纳米线阵列的下电极，钛电极厚度为5～10nm，长为2～2.5mm，宽为0.4～0.5mm；

(5)在钛电极上表面溅射淀积金层，作为ZnO纳米线阵列的催化层，金层的厚度为20～50nm，长为2～2.5mm，宽为0.4～0.5mm；

(6)在金层上，用含有锌离子的碱性溶液作为反应溶液，在100℃下保温反应4小时，促使ZnO纳米线阵列的生长，然后将剩余的金层蒸发，得到ZnO纳米线阵列，其长为3～5μm，直径为200～500nm，并在完成生长后使用丙酮清洗烘干；

(7)在ZnO纳米线生长成阵列后，利用注塑工艺将PMDS注入将ZnO纳米线阵列包裹；

(8)利用氧离子刻蚀将步骤(7)中注入的PDMS的顶端部分去除，将ZnO纳米线阵列的顶端暴露出来，底端ZnO纳米线仍包裹在PDMS中；

(9)利用等离子刻蚀将两端的氮化硅去除，即得到ZnO纳米线压电元件；

制备C型杯弹性元件的步骤：

(1)使用HF溶液清洗双面抛光的SOI硅片，并将清洗后的SOI硅片置于等离子处理系统中进行表面处理，等离子体处理的时间为5～20分钟，处理温度20～300℃，处理完后进行烘干；

(2)双面淀积氮化硅；

(3)在SOI硅片正面光刻，刻蚀去掉正面中间区域的氮化硅；

(4)采用氢氧化钾各向异性刻蚀单晶硅，并腐蚀至二氧化硅埋层停止，制作出有效硅膜，C型杯的内部能够容纳ZnO纳米线压电元件的ZnO纳米线阵列；

(5)用等离子刻蚀技术刻蚀位于背面的氮化硅；

(6)利用硅通孔技术，在硅片上利用等离子刻蚀出通孔，通孔直径为20～30μm；

(7)在硅片上和通孔中淀积铂电极，作为ZnO纳米线阵列的上电极，铂电极厚度为5～10nm，长为3～3.5mm，宽为0.4～0.5mm；制作完成后即得C型杯弹性元件；

将ZnO纳米线压电元件和C型杯弹性元件结合的步骤：