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与流程

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((microelectro-mechanicalsystems,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(movablegatefieldeffecttransistor，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。

技术实现要素：

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zgap；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。

所述的中间质量块1长1000μm-2000μm，宽500μm-2000μm，厚度尺寸与直梁6厚度一致，为5μm-20μm。

所述的平衡栅极阵列4和工作栅极阵列5相对中间质量块1中心对称布置；平衡栅极阵列4、工作栅极阵列5中单个栅极的长度为2μm-5μm、宽度为10μm-30μm，两个栅极之间间隔为2μm-10μm，厚度与中间质量块1厚度一致。

所述的探针2与中间质量块1下表面共面，厚度小于或等于中间质量块1的厚度，沿长度方向采用阶梯状结构或者使用通直结构，长度为50μm-200μm，尖端处宽度为1μm-5μm，厚度为1μm-20μm。

所述的直梁6的宽度为2μm-10μm，直梁6的长度为500μm-2500μm，直梁6的厚度为5μm-20μm。

所述的中间质量块1下表面与sio2绝缘层12上表面之间的空气间隙尺寸决定等效栅电容的大小，范围为0.1μm-0.4μm。

所述的单个源极9、漏极10的宽度与工作栅极阵列5中单个栅极宽度wg相同，为10μm-30μm，单个源极9、漏极10的长度与工作栅极阵列5中两栅极间隔距离dg一致，为2μm-5μm；导电沟道11长度lch与工作栅极阵列5中单个栅极结构的长度lg保持一致，为2μm-5μm，导电沟道11的宽度wch与工作栅极阵列5中单个栅极结构的宽度wg相同，为10μm-30μm；所述的源极9、漏极10与导电沟道11组成的晶体管器件工作模式采用耗尽型，p型si基底13的掺杂浓度na为(0.5-2.0)×10¹⁵/cm³，si-sio2界面的电荷密度q’eff＝(1.5-3.0)×10^-7c/cm²。

所述的中间质量块1上平衡栅极阵列4和工作栅极阵列5之间制作有阵列通孔8。

一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器的制备方法，包括以下步骤：

a)取(100)晶面单晶硅作为p型si基底13，<011>晶向作为导电沟道11电流方向；在p型si基底13上采用部分区域注入磷离子，形成源极9、漏极10的阵列，在源极9、漏极10的阵列中间区域注入磷离子，形成预先导通的导电沟道11，p型si基底13部分区域采用局部硼离子注入，形成p 电极3；

b)将需要制备的探针2下方的p型si基底13区域刻蚀透；

c)在p型si基底13上热氧生成sio2绝缘层12，然后光刻sio2绝缘层12，形成源极9、漏极10引线的图形窗口，然后进行金属引线的沉积，完成源极9、漏极10和p 电极3的金属引线14；同时对p型si基底13的下表面也进行金属溅射，形成基底电极15；

d)在sio2绝缘层12和金属引线14上再沉积一层sio2；

e)对sio2绝缘层12表面进行化学机械抛光，对sio2绝缘层12下方源极9、漏极10及p 电极3的金属引线14的焊盘区域进行刻蚀开窗口，最后对位于可动栅极结构下方的sio2绝缘层12进行刻蚀，使得sio2绝缘层12生成一个台阶，利用这个台阶的高度来控制所需的空气间隙厚度大小zgap；

f)取另一块多晶硅16，将步骤e)获得的sio2绝缘层12上表面与多晶硅下表面进行键合；

g)对多晶硅16部分区域进行硼离子重掺杂形成工作栅极阵列5，之后进行工作栅极阵列5的金属层17的沉积和图形化；

h)进行多晶硅16的刻蚀，在前部刻蚀出探针2的图形；

i)再对工作栅极阵列5、平衡栅极阵列4、阵列通孔8和四个直梁6的图形进行刻蚀，完成可动结构的全部图形化。

所述的基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器用于实现nn量级超低微小力测量。

本发明的有益效果为：

1)相对于压阻式、电容式、光学式微力传感器，本发明采用mgfet的原理，将负载力的变化转换为沟道电流的变化，电流输出具有很好的放大特性，因而可以实现超低微小力的高灵敏度测量。

2)本发明工作栅极阵列5采用面内运动型式，相对于垂直运动栅极晶体管微力传感器，其工作时空气间隙改变，单位沟道面积的栅电容随之改变，进而导致器件的阈值电压也随之改变，使得器件的输出线性度较差。本发明采用的面内运动型式可动结构，工作时单位沟道面积的栅电容保持近似不变，因此能保证负载力与沟道电流输出量之间具有优良的线性特征。

4)相对于其他面内运动栅极晶体管传感器，本发明采用阵列栅极的设计，多个单元联合输出，因此可以获得更高的灵敏度，达到测量nn量级微小力的目的。同时，中间质量块1采用四个直梁6支撑，工作栅极阵列5偏离中间质量块1中心doff的距离布置，使得器件最终只对工作方向的加载力敏感，同时减小其他方向加载力的耦合，具有较高的测量精度。

附图说明

图1为本发明基于mgfet微力传感器的结构示意图，(a)图为器件的俯视图，(b)图为(a)图中c’区域的轴测图；

图2为本发明基于mgfet微力传感器制备方法的流程图，a,c,d,e,f,g,i为图1a’-a’截面示意图；b,h为图1b’-b’截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，一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zgap；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，p 电极3电位与工作栅极阵列5上施加的电势相同，以减小栅极和si基底13之间的静电力的影响。

所述的中间质量块1的尺寸与垂直器件上表面力方向加载时，工作栅极阵列5垂直方向位移的解耦有关，上述加载情况下，探针2处收到的垂直力的平移到结构质心，会随着再产生一个力矩，垂直力和力矩使工作栅极阵列5处产生相反的垂直方向位移，为减小垂直加载力的耦合，使得力矩具有足够大小以平衡垂直力产生的变形，中间质量块1需要保证一定的长度；因此，中间质量块1的长度为1000μm-2000μm，宽度为500μm-2000μm，厚度尺寸与直梁6厚度一致，为5μm-20μm。

所述的平衡栅极阵列4和工作栅极阵列5相对中间质量块1中心对称布置，平衡栅极阵列4只是为了结构对称而不进行金属引线；工作栅极阵列5中单个栅极长度lg为2μm-5μm，宽度wg为10μm-30μm，工作栅极阵列5中两个栅极之间间隔为2μm-5μm，厚度tg与直梁6厚度一致，为5μm-20μm。

所述的探针2与中间质量块1下表面共面，厚度小于或等于中间质量块1的厚度，沿长度方向采用阶梯状结构或者使用通直结构，长度为50μm-200μm，尖端处宽度为1μm-5μm，厚度为1μm-20μm。

所述的直梁6的宽度决定敏感方向的灵敏度，应尽可能小，为2μm-10μm；直梁6的长度为500μm-2500μm，厚度应该尽量选较大数值以减小其他方向加载力造成的耦合，厚度为5μm-20μm；同时，为简化制备工艺，直梁6的厚度与中间质量块1的厚度是一致的。

所述的中间质量块1下表面与sio2绝缘层12上表面之间的空气间隙尺寸决定等效栅电容的大小，范围为0.1μm-0.4μm。

所述的单个源极9、漏极10的宽度与工作栅极阵列5中单个栅极宽度wg相同，为10μm-30μm，单个源极9、漏极10的长度与工作栅极阵列5中两栅极间隔距离dg一致，为2μm-5μm；导电沟道11长度lch与工作栅极阵列5中单个栅极结构的长度lg保持一致，为2μm-5μm，导电沟道11的宽度wch与工作栅极阵列5中单个栅极结构的宽度wg相同，为10μm-30μm。

所述的源极9、漏极10与导电沟道11组成的晶体管器件工作模式采用耗尽型，p型si基底13的掺杂浓度na为(0.5-2.0)×10¹⁵/cm³，si-sio2界面的电荷密度q’eff＝(1.5-3.0)×10^-7c/cm²。

所述的中间质量块1上平衡栅极阵列4和工作栅极阵列5之间制作有阵列通孔8，其目的是为了减小中间质量块1的重量，当器件被倾斜安装时，可以减小重力沿工作方向的分量大小。

所述的工作栅极阵列5中工作栅极数量为了保证nn量级微小力的测量,设置为90-200个。

所述的sio2绝缘层12的厚度应在保证绝缘性能的同时尽量小，以减小等效栅电容的数值，位于中间质量块1、直梁6下方的sio2绝缘层12其厚度范围为10nm-200nm。

参照图2，一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器的制备方法，包括以下步骤：

a)取(100)晶面单晶硅作为p型si基底13，<011>晶向作为导电沟道11电流方向；在p型si基底13上采用部分区域注入磷离子，形成源极9、漏极10的阵列，在源极9、漏极10的阵列中间区域注入磷离子，形成预先导通的导电沟道11，p型si基底13部分区域采用局部硼离子注入，形成p 电极3；

b)将需要制备的探针2下方的p型si基底13区域刻蚀透；

c)在p型si基底13上热氧生成sio2绝缘层12，然后光刻sio2绝缘层12，形成源极9、漏极10引线的图形窗口，然后进行金属引线的沉积，完成源极9、漏极10和p 电极3的金属引线14；同时对p型si基底13的下表面也进行金属溅射，形成基底电极15；

d)在sio2绝缘层12和金属引线14上再沉积一层sio2；

e)对sio2绝缘层12表面进行化学机械抛光，保证表面的平整；对sio2绝缘层12下方源极9、漏极10的p 电极3的金属引线14的焊盘区域进行刻蚀开窗口，最后对位于可动栅极结构下方的sio2绝缘层12进行刻蚀，使得sio2绝缘层12生成一个台阶，利用这个台阶的高度来控制所需的空气间隙厚度大小zgap；

f)取另一块多晶硅16，将步骤e)获得的sio2绝缘层12上表面与多晶硅下表面进行键合；

g)对多晶硅16部分区域进行硼离子重掺杂形成工作栅极阵列5，之后进行工作栅极阵列5的金属层17的沉积和图形化；

h)进行多晶硅16的刻蚀，在前部刻蚀出探针2的图形；

i)再对工作栅极阵列5、平衡栅极阵列4、阵列通孔8和四个直梁6的图形进行刻蚀，完成可动结构的全部图形化。

本发明应用于微小力测量领域，其工作原理为：当探针2针尖受到力作用时，四个直梁6发生变形导致中间质量块1产生相对于p型si基底13的位移，此时工作栅极阵列5相对于导电沟道11宽度发生相对移动，使得晶体管内当量沟道宽度发生变化，源漏电流的大小随之改变。探针2受力和源漏电流保持着良好的线性关系：

δids＝s×f

其中，δids为源、漏极加载一定电压时，器件在受力后源漏电流相对于初始数值的偏移，即δids＝ids－ids0，其单位为ma；s为传感器灵敏度，单位为ma/nn；f为被测力值，单位为nn。因此，通过源漏电流变化即可计算出对应的加载力值。

本发明不限于以上所述实施方式，在条件和技术允许条件下，器件可以采用准liga电镀技术与牺牲层结合的工艺进行制备，中间质量块1，探针2，直梁6，边框7的材料可以采用金属或者多晶硅。掺杂技术可以采用除离子注入技术之外的其他技术，而且掺杂杂质不限于磷和硼离子，也可以选择各自掺杂类型(p型或者n型)的其他离子。本文设计的器件是应用于nn量级微小力的测量。若应用于不同的工作场合，晶体管阵列的数量和尺寸、晶体管cmos部分的掺杂浓度、沟道长宽等参数可以根据实际设计目的进行修正，以达到应用的目的。

本发明提出的一种基于mgfet式微力传感器的主要性能指标如下：

测量范围：0-500nn

测量精度：优于1％fs

灵敏度：最高灵敏度优于0.1ma/nn

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。