[实用新型]一种基于纳米复合材料的自驱动、自感知悬臂梁传感器

说明书

技术领域

本实用新型属于微机电系统（Micro-electro Mechanical Systems, MEMS）领域，涉及一种基于纳米复合材料的自驱动、自感知悬臂梁传感器及其制造方法。

背景技术

作为人类获取自然、生产和生活领域中信息的主要途径与手段，传感器早已渗透到工业生产、环境保护、医学诊断等广泛的领域。毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至人体内部，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。据《中国传感器市场深度评估及发展预测报告（2016版）》显示：2014年，全球传感器市场规模已达1260亿美元，同比增长20%左右。中国、美国、日本、德国四国合计占据全球传感器市场份额的72 %。虽然我国占据了全球约11%的传感器市场份额，但70%左右的关键技术却掌握在意法半导体、博世、飞思卡尔等外资企业手中，缺少自主知识产权的核心技术是目前我国传感器行业发展遇到的最大瓶颈。MEMS是在微电子技术的基础上发展起来的，涉及电子、机械、材料等多种学科的前沿研究领域，具有广阔的应用前景，也是精密传感器制造的首选技术。与传统技术相比，采用MEMS工艺制备的传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。

微悬臂梁是结构最为简单的MEMS器件之一，可作为一种实时性好、灵敏度高的敏感元件使用，用来测量微小力、微小质量或微小振动的变化。由于具有高分辨率、结构简单、易阵列化等特点，自问世以来一直是精密传感器制造技术的研究热点。近年来悬臂梁传感器的应用范围已经扩展到化学分析、生物检验、医药筛选、环境监测等诸多领域。随着应用领域的不断拓展，使得悬臂梁传感器正朝着多功能、智能化、集成化、系统化的方向发展，这无疑也对传感器的设计、制备和装配提出了更高的要求。目前集成在µTAS中的悬臂梁传感器多工作在静态模式下，信噪比较低，易受到现场环境的干扰。而目前广泛应用的光学检测信号提取法，仍然需要依托复杂的原子力显微镜系统实现检测，无法充分发挥悬臂梁体积小、重量轻的优势，也不适合传感器的小型化与集成化。

发明内容

实用新型目的：

本实用新型在国家自然科学基金项目（项目编号：61372019）的支持下，意在以MEMS工艺为基础，采用新型的多晶硅纳米材料，提出一款拥有自驱动、自感知功能的纳米复合材料悬臂梁传感器及其制备工艺。利用多晶硅纳米膜优异的机械特性，减小悬臂梁弹性层的残余应力，提升多层复合结构的稳定性；通过嵌套式布局和阶梯式结构等合理设计，保证传感器的灵敏度和机械响应，推动精密传感器技术智能化、集成化应用进程。在保证检测灵敏度和重现性的基础上，提高悬臂梁传感器的集成化程度，为其在便携式检测仪器、可穿戴医疗设备、智能化精密传感器等领域的商品化奠定基础。

技术方案：

一种基于纳米复合材料的自驱动、自感知悬臂梁传感器，其特征在于：包括中二氧化硅层，中二氧化硅层下端面的一侧铺有下单晶硅层，下单晶硅层截面为上宽下窄的梯形，下单晶硅层的下端面铺有下二氧化硅保护层，中二氧化硅层上端面铺有U型的PZT下驱动电极层， PZT下驱动电极层的U型开口侧与下单晶硅层所在侧相同，PZT下驱动电极层的U型开口一侧端部设置有PZT下层驱动电极金属引线，PZT下驱动电极层的上端面铺有与其形状相对应的PZT层，PZT层上端面铺有与其形状相对应的PZT上驱动电极层，PZT上驱动电极层的U型开口与PZT下层驱动电极金属引线相同侧端部设置有PZT上层驱动电极金属引线，PZT下驱动电极层、PZT层和PZT上驱动电极层封闭端对齐形成U型结构，中二氧化硅层上端面与U型结构三面包围的空间铺有上单晶硅层，上单晶硅层上端面铺有上二氧化硅保护层，在中二氧化硅层上端面和上单晶硅层内设有压阻感知层，压阻感知层的上端面设置有检测电桥电阻和压阻感知层金属引线，检测电桥电阻的高度与上二氧化硅保护层上表面齐平，压阻感知层金属引线的高度高于上二氧化硅保护层的上表面，在中二氧化硅层上端面U型结构封闭侧的外侧铺有下层多晶硅纳米膜，下层多晶硅纳米膜上端面铺有二氧化硅纳米膜，二氧化硅纳米膜上端面铺有上层多晶硅纳米膜。

所述检测电桥电阻的数量为4个，2*2阵列，构成检测电桥。

所述压阻感知层金属引线的数量为2个。

所述PZT上驱动电极层位于U型结构开口两侧的部分，其长度短于PZT层位于U型结构开口两侧的部分。

所述PZT层位于U型结构开口两侧的部分，其长度短于PZT下驱动电极层位于U型结构开口两侧的部分。

优点及效果：