[发明专利]基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器及其制备方法

说明书

一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器及其制备方法，结构包括由四根直梁支撑的中间质量块，中间质量块前端设置探针，中间质量块前后布置有平衡、工作栅极阵列，平衡、工作栅极阵列相对中间质量块的中心偏移，中间质量块、直梁、探针与SiO₂绝缘层不接触，p型Si基底部分区域形成源、漏极，源、漏极之间的区域形成导电沟道，部分区域形成P⁺电极；制备方法先在P型Si基底制备好源极、漏极、导电沟道、P+电极并热氧生成SiO₂绝缘层并进行刻蚀图形化，然后与另一块多晶硅键合，对多晶硅部分区域进行硼离子重掺杂形成工作栅极阵列，前部刻蚀出探针的图形，再刻蚀完成中间质量块，直梁的全部图形化，本发明微力传感器能够用于nN量级微力的测量。

技术领域

本发明属于微力传感器技术领域，具体涉及一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器及其制备方法。

背景技术

微力传感器主要用于微小力以及微小位移的测量，其在工业控制、环保设备、医疗设备、生物检测等领域均有迫切的需求和广泛的应用，因而对该类传感器的研究具有极其重要的实用价值。目前，基于MEMS((Micro Electro-Mechanical Systems,微型机械电子系统)技术的微力传感器在力传感器领域已占统治地位，并得到商业化的广泛应用。MEMS微力传感器按其工作原理，主要可分为以下三种：压阻式、电容式以及光学式。压阻式微压传感器主要利用硅的压阻效应，通过阻值变化来测量负载力大小，虽然其输出与输入具有良好的线性关系，但硅结构中由于力敏电阻对温度敏感，要求传感器必须进行温度补偿，增加了测量的复杂性。电容式硅微压力传感器利用电容极距变化或者正对面积的变化将负载力变化转化为电容的变化，有着温度稳定性好、灵敏度高、功耗低、进一步微型化变得相对简单等优点，但其输出与输入的线性度较差。光学式硅微力传感器是利用光学显微镜观测MEMS微结构随负载力的变形而改变来实现微力的测量，虽然其结构简单，无需集成测量电路，但易受测量环境的影响，对实验人员的操作水平要求高。

MEMS微力传感器的分辨率一般在μN量级，而nN量级微力的测量还未见相关报道。由于工作原理与结构尺寸的限制，致使其难以进一步实现更低量程与更高灵敏度的超低微力测量。目前，基于MGFET(Movable Gate Field Effect Transistor，可动栅极式场效应晶体管)的MEMS器件已经有相应研究，FET具有结构简单、易加工、易集成等特点，输出量为漏源电极之间的电流，具有更好的放大特性。因此，基于MGFET的MEMS器件具有良好的机电特性、优良的输入与输出线性度、高灵敏度等特点。但是已有的晶体管式微力传感器没有考虑到各方向受力的耦合，导致测量精度较低；且器件的沟道长度过大，可动结构刚度较大，导致其灵敏度较低，如仅为0.011μA/μN。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器及其制备方法，能够用于nN量级微力的测量。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器，包括四根直梁6，直梁6一端支撑中间质量块1，直梁6的另一端固定在边框7上，边框7下方与p型Si基底13上方的SiO₂绝缘层12接触作为可动结构的固定端支撑。中间质量块1前端设置有一个凸起的探针2，中间质量块1前后布置有平衡栅极阵列4和工作栅极阵列5，平衡栅极阵列4和工作栅极阵列5相对中间质量块1的中心偏移Doff的距离。平衡栅极阵列4和工作栅极阵列5形成可动栅极结构，中间质量块1、直梁6、探针2与SiO₂绝缘层12不接触，它们之间存在一个空气间隙，厚度为Z_gap；p型Si基底13中部分区域经磷离子重掺杂形成N⁺型的源极9与漏极10，源极9与漏极10之间的区域经磷离子掺杂形成N型的导电沟道11，部分区域经硼离子重掺形成P⁺电极3。