电子科技大学光电信息学院 课程设计论文

课程名称 传感技术

题目名称 微悬臂梁气体传感器研究

学 号 2705105018 姓 名 张 波 指导老师 太 惠 玲 起止时间 2010年5月1日至2010年5月30日

2010年5 月 30 日 电子科技大学光电信息学院 课 程 设 计 任 务 书 一、课程名称 ___ 传感技术_______ ____________ __ 二、课程设计题目_______微悬臂梁气体传感器研究_________________________________ 三、课程设计目的 随着MEMS技术（Micro Electro-Mechanical System）的飞速发展及其在传感器领域的应用，以微悬臂梁为基础构成的生物化学传感器成为传感器领域的一个研究热点与难点。该类型气体传感器的制备与检测涉及材料、半导体工艺与电路等各个学科，因此本课程设计旨在通过对微悬臂梁气体传感器国内外研究现状的考察与分析，充分理解该类型传感器的工作原理，并掌握其制备工艺与测试技术。 四、课程设计要求 本课程设计要求在查阅微悬臂梁气体传感器国内外文献的基础上，掌握该类传感器的传感模式、表面修饰技术、MEMS工艺及检测电路的设计与制备等关键技术，并完成课程设计报告。 五、课程设计任务和内容 材料，机理器件。检测电路 （1）理解微悬臂梁气体传感器的敏感机理； （2）学习微悬臂梁气体传感器的表面修饰技术和MEMS制备工艺； （3）学习微悬臂梁气体传感器后端检测电路的设计； （4）完成课程设计报告。 六、参考文献 [1] J. Zhou, P. Li, Zeolite-modified microcantilever gas sensor for indoor air control, Sensors and Actuators B, 2003, 94(3): 337-342 [2] J. Zhou, P. Li, Self-excited piezoelectric mocrocantilever for gas detection, Microelectronic Engineering, 2003, 69(1): 37-46 [3] G. Zuo, X. X. Li, P. Li, Trace TNT vapor detection with an SAM function piezoresistive SiO2 microcantilever, Ananlytica Chemical Acta, 2006, 580: 123-127 [4] D. Ying, G. Wei, Y. Zheng, Thermally-excited MEMS cantilever resonator for gas sensing, Nanotechnology and Precision Engineering, 2009, 7(2): 119-122 指导教师签名： 太惠玲 日期： 2010 年4月 13日 微悬臂梁气体传感器研究 摘要: 微机械谐振式传感器已经成为微型机电系统(MEMS)领域的研究热点。微悬臂梁传感器以其体积小、成本低、灵敏度高等优点在生物化学领域获得了广泛的研究和初步应用。本文综述了微悬臂梁气体传感器的工作原理及敏感机理、介绍微悬臂梁表面修饰的关键技术、MEMS制备工艺主要方法、后端检测电路的设计和基于微悬臂梁气体传感器领域的研究状况以及对基于微悬臂梁的谐振式气体传感器的发展方向和应用前景的展望。 关键词：敏感机理、表面修饰、MEMS制备工艺、检测电路。 前言： 传感器是一种可以获取有用信息并将其转换成可用信号（光信号、电信号）的特殊装置，它在信息处理系统中占有十分重要的地位，广泛应用于生产、科研和生活的各个领域。气体检测在人们生产生活中的应用十分广泛,特别是在安全生产方面,如,矿井作业、毒气的生产运输。气体传感器直接关系到人们的生命财产安全。微机电系统(MEMS)技术是基于微电子技术的微器件加工制造方法，其中悬臂梁结构是最简单的微结构，利用它可以探测到极小的位移或质量的变化，这使得微悬臂梁成为高精度高灵敏气体传感器的理想选择。随着微加工技术的提高与薄膜技术的发展,近几年微机电系统传感器在气体检测方面受到广泛关注。运用MEMS技术的气体传感器种类很多，根据不同的检测原理可以分为：1)根据气体自身的光声学和光学特性，结合MEMS结构制作的传感器，代表种类有声光光谱法和光谱法；2)采用气体敏感膜的化学吸附机理，代表种类有电导变化型、悬臂梁型和声表面波型；3)针对易燃易爆气体，采用的催化燃烧式检测；4)从离子迁移谱原理改进而来的高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)技术。MEMS气体传感器相对于传统的榆测手段，具有体积小、灵敏度高、响应快、易于阵列集成等多方面优势，是未来气体传感器发展的一个主要方向。由于分子的吸附而导致的微悬臂梁弯曲偏转量的变化主要是由于分子吸附在微悬臂梁表面后，在上下表面产生了不同的应力。分子吸附在悬臂梁表面之前，悬臂梁上表面和下表面的应力处于平衡，产生一个沿着微悬臂梁中间平面的径向力，当分子吸附到微悬臂梁上下表面后，它们对上下表面应力的影响不一样，基于悬臂梁弯曲的测量方法在生物和化学探测中更具有吸引力【1】。 1 微悬臂梁工作原理

敏感机理：微悬臂梁作为气体传感器，在微悬臂梁的表面通常涂镀金属膜或有机聚合物作为化学敏感层，在微悬臂梁吸附了某种气体后，通常会产生两种物理量的变化:共振频率或表面应力。当敏感层吸附气体后，质量产生变化，敏感层将气体浓度的变化转换为微悬臂梁共振频率的频移，频移的大小即反映了吸附气体的多少。微悬臂梁表面应力的变化是由于敏感层分子和吸附分子间力的相互作用，使微悬臂梁产生弯曲。 由此，微悬臂梁有两种不同的工作模式：静态工作模式和谐振工作模式，下面分别进行介绍。 1.1 静态工作模式【2】 如果把待检测的分子吸附在微悬臂梁的一个表面，而另外一个表面不吸附待测分子，由于分子之间的相互作用会在微悬臂梁上下表面引起应力差，从而导致微悬臂梁弯曲。微悬臂梁上下表面的应力差(σ1～σ2)可以通过Stoney 方程[1]来计算。

[1] 式中：L 和t 分别是微悬臂梁的长度和厚度，Δd 是微悬臂梁自由端的位移而E和ν则是所用材料的杨氏模量和泊松比。 由上述方程我们可以看出，Δd与(σ1～σ2)成正比，为了提高微悬臂梁的灵敏度，必须把微悬臂梁的一个表面修饰为对目标分析物不敏感，而另外一个表面修饰为对目标分析物具有高亲合力，以产生大的上下表面应力差。静态工作模式一般结合光学读出方法来读出微悬臂梁的弯曲量，一个典型的例子如图1。

1.2 谐振工作模式 微悬臂梁在气体中或者在真空中工作时可以将其作为弱阻尼的机械振荡器。使用交变电场或磁场激励可以使其振荡。谐振工作模式的常用方法是微悬臂梁吸附待测物引起质量变化，从而导致微悬臂梁谐振频率偏移，通过测量频率偏移量的大小，就可以反映出微悬臂梁吸附待测物的多少。微悬臂梁的谐振行为可以用胡克定律来描述。对矩形微悬臂梁，其弹性系数k 可由公式【2】得到 k=Ewt3/4l3 【2】

其中：w、t、l 分别是微悬臂梁的宽度、厚度和长度，E是构成微悬臂梁的材料的弹性模量。 忽略环境介质的阻尼效应，则微悬臂梁的基频谐振频率f0为：

【3】 其中：m0 是悬臂梁的有效质量。 设悬臂梁吸附了待测生物化学分子之后，发生了质量改变Δm，悬臂梁谐振频率变为f1则由上面公式可以得到：

【4】 1.3 读出技术 微悬臂梁传感器的一个重要组成部分是一套能够将微悬臂梁的有关变化实时输出的读出系统。微悬臂梁的读出方法主要有光学方法和电学方法两类。其中光学方法常用的是光束偏转法，电学方法包括压阻法、压电法和电容法等。 1.3.1光束偏转法 光束偏转法的测量原理如图1 所示，激光二极管发出的激光束打在悬臂梁的自由端，以自由端上的金属层作为反射镜，将入射的激光反射出去，通过位置敏感探测器(PSD)接收反射光，PSD 输出的电信号通过信号处理电路计算出入射在PSD 上光束的位置，从而可以反映微悬臂梁的弯曲变化。 1.3.2压阻法 压阻效应是指半导体材料在应力作用下,禁带宽度发生变化,引起载流子的浓度和迁移率发生变化,从而使材料的电阻率发生变化。 1.3.3压电法 当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就会产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 1.3.4电容法 电容法的测量原理是如果改变两块平行板之间的距离，则两块平行板之间的电容就会改变。将悬臂梁作为可动的平行板，则悬臂梁弯曲的变化就可以通过电容的变化来表征。 2 悬臂梁的设计与制造（MEMS简单制备工艺）

2.1 悬臂梁设计考虑因素 设计悬臂梁时，需要重点考虑的参数是灵敏度、噪声、弹性系数、响应频率等。一个高性能的悬臂梁通常需要具有高灵敏度、低噪声、高响应频率和低弹性系数。这些参数取决于悬臂梁的几何形状、材料的机械性质以及制作悬臂梁的工艺条件等。这些要求并不能全部满足，比如降低弹性系数同时会降低响应频率，在设计时要根据使用场合综合考虑【3】。 悬臂梁的设计主要考虑了不同结构的悬臂梁在流体中的稳定性以及悬臂梁光束的质量。悬臂梁使用低压化学（LPCVD）法生长的氮化硅作为结构材料腐蚀掉硅沉底之后，减少悬臂梁的变形化硅的时候必须采取合适的生长条低氮化硅的薄膜应力和应力梯度。氮化硅度是1.5μm,首先使用光刻，然后使用蚀（RIE）在氮化硅薄膜上形成悬臂梁案。在悬臂梁的上表面淀积上一层厚度金膜，在生物和化学探测中可以通过A成的或者生物分子固定在悬臂梁表面。为了达到光学读出所要求的反射率，金属层的厚度一般为50~150 nm。最后腐蚀掉硅衬底，释放得到悬臂梁。悬臂梁制造过程的主要步骤如图2，不同结构的悬臂梁如图3。

图2 悬臂梁制作过程的主要步骤