高靈敏微懸臂梁探針設(shè)計(jì)制作及特性研究.pdf

1、微懸臂梁作為微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical system，MEMS)中常用的微傳感器，被廣泛應(yīng)用于力檢測(cè)、質(zhì)量檢測(cè)、加速度檢測(cè)、氣壓檢測(cè)、化學(xué)生物檢測(cè)等領(lǐng)域。特別地，用以檢測(cè)樣品電子自旋、核自旋的磁共振力顯微鏡(MRFM)需要能夠檢測(cè)到aN(10-18N)甚至更小力的高靈敏微懸臂梁。熱機(jī)械噪聲限制了懸臂梁極限力探測(cè)。基于此，更長、更薄、更窄的高品質(zhì)因數(shù)(Q值)微懸臂梁在極低溫下，是測(cè)量極小力的理想探測(cè)器。然而，

2、尺寸變長變窄變薄會(huì)限制Q值，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮。由于尺寸特性，高靈敏微懸臂梁與普通懸臂梁相比，剛度低三個(gè)數(shù)量級(jí)，使得加工時(shí)容易造成損壞。此外，目前對(duì)于高靈敏微懸臂梁的性能研究尚不全面，需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。
　　 本文基于MEMS微加工及MRFM系統(tǒng)，以高靈敏單晶硅微懸臂梁為研究對(duì)象，以提高單晶硅微懸臂梁制作成批率、優(yōu)化微懸臂梁結(jié)構(gòu)、完善微懸臂梁特性研究為目標(biāo)，對(duì)單晶硅微懸臂梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于SOI圓片的制作工藝、空氣及真

3、空中的特性分析進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　 基于能量損耗模型和熱噪聲理論，對(duì)高靈敏微懸臂梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。懸臂梁能量損耗分為空氣阻尼損耗、熱彈性損耗、支撐損耗、表面應(yīng)力損耗等。真空中，空氣阻尼可以忽略，隨著懸臂梁厚度降低，表面應(yīng)力損耗成為制約品質(zhì)因數(shù)的主要因素。通過分析，對(duì)于所研究的高靈敏微懸臂梁，表面能量損耗遠(yuǎn)大于其他方式能量損耗。熱機(jī)械噪聲限制了懸臂梁極限力探測(cè)。根據(jù)熱噪聲原理，設(shè)計(jì)出用以探測(cè)aN的單晶硅微懸臂梁。
　　

4、在高靈敏微懸臂梁制作方面，提出一種基于SOI圓片和濕法刻蝕體硅的單晶硅微懸臂梁制作方法。濕法體硅刻蝕過程中采用表面氧化及黑蠟共同保護(hù)正面。正面氧化一方面可以令正面保護(hù)更加完善，并且為后續(xù)埋氧層圖形化做好了準(zhǔn)備，還可以對(duì)單晶硅微懸臂梁進(jìn)行厚度減薄至指定厚度。SOI埋氧層存在內(nèi)應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)中體硅刻蝕完畢時(shí)，埋氧層由于內(nèi)部壓應(yīng)力的擠壓作用發(fā)生變形破裂，并對(duì)單晶硅微懸臂梁造成破壞。為解決該問題，提出了對(duì)埋氧層事先進(jìn)行圖形化，即讓其破裂在指定位置以

5、避開懸臂梁，從而提高產(chǎn)率的方法。比較了矩形圖形化與懸臂梁圖形化釋放應(yīng)力的優(yōu)劣，矩形圖形化后懸臂梁產(chǎn)率50％，懸臂梁圖形化方式可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)率100％，高于目前大量文獻(xiàn)中提到的產(chǎn)率。此外，濕法過程中刻蝕、清洗操作，采用溶液置換方法。將SOI圓片放在聚四氟乙烯小容器中進(jìn)行操作，避免直接操作器件，能夠保護(hù)微懸臂梁不被液體張力破壞。由于H2O張力較大且揮發(fā)慢，直接從H2O取出懸臂梁容易造成損壞，因此我們將懸臂梁的H2O環(huán)境置換成乙醇環(huán)境，從乙醇中取

6、出樣品。最終，在加熱平板上烘干單晶硅懸臂梁。實(shí)驗(yàn)中，制作了數(shù)批單晶硅微懸臂梁。長度為250-500μm，寬度10μm，厚度為0.5μm-1μm。
　　 空氣中微懸臂梁特性研究包括剛度、頻率、Q值、端頭質(zhì)量影響。制備出的單晶硅微懸臂梁具有良好的低剛度特性，以465×10×0.85 μm3單晶硅微懸臂梁為例，在懸臂梁上真空蒸發(fā)鍍膜48nm厚的Au層，懸臂梁端頭偏移位移達(dá)14μm。低剛度微懸臂梁，在空氣中振動(dòng)能量損耗主要來源于空氣阻尼

7、，上述單晶硅微懸臂梁空氣中Q值為7.25。通過涂膠方式，研究攜帶端頭質(zhì)量微懸臂梁的特性。涂膠方式可以連續(xù)給同一根懸臂梁施加不同端頭質(zhì)量，與一次性微加工成型，方法簡(jiǎn)單且測(cè)量數(shù)據(jù)更具有可比性。端頭質(zhì)量通過微懸臂梁頻率偏移計(jì)算得到。當(dāng)端頭質(zhì)量為22.82ng，懸臂梁Q值從7.25增至19.07。端頭質(zhì)量會(huì)影響各階振動(dòng)頻率，以22.82ng端頭質(zhì)量為例，懸臂梁前十階振動(dòng)頻率均下降，與文獻(xiàn)中所述頻率離散不符合，這歸結(jié)于點(diǎn)質(zhì)量加載與塊體質(zhì)量加載不同

8、。
　　 在MRFM應(yīng)用方面，對(duì)微懸臂梁厚度、磁針尖進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并研究了真空系統(tǒng)中懸臂梁的特性。懸臂梁優(yōu)化厚度為四分之一波長的基數(shù)倍時(shí)，懸臂梁反射信號(hào)最強(qiáng)。對(duì)于相同特征尺寸的圓錐、球體、圓柱體磁針尖，圓錐體產(chǎn)生的近場(chǎng)磁場(chǎng)梯度最大；對(duì)于相同形狀磁針尖，體積越小近場(chǎng)磁場(chǎng)梯度越大，但衰減較快。在77-220K范圍中，真空系統(tǒng)中的測(cè)試結(jié)果表明溫度降低，微懸臂梁力探測(cè)分辨率越高。微懸臂梁在140K時(shí)Q值出現(xiàn)最低值，與之對(duì)應(yīng)體硅材料出現(xiàn)