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技术

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

Micro force sensor based on movable gate type field effect transistor and its preparation method

A kind of micro force sensor and its preparing method of movable gate field effect transistor based on the structure, including middle mass by four straight beam, middle mass is arranged at the front end of the probe, middle mass balance, work arrangement and gate array, balance and work relative to the middle gate array mass center offset, intermediate the mass of straight beam probe and SiO2, the insulating layer can not contact, P type Si substrate area formed the source, drain, source and drain regions between the formation of the conductive channel, part of the formation of P

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于微力传感器
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术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，本专利技术采取的技术方案为：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。本专利技术的有益效果为：1)相对于压阻式、电容式、光学式微力传感器，本专利技术采用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)本专利技术工作栅极阵列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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器，其特征在于：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；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

【技术特征摘要】
1.一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器，其特征在于：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；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)。2.根据权利要求1所述的一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器，其特征在于：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-5μm，厚度与中间质量块(1)厚度一致。4.根据权利要求1所述的一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述的一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器，其特征在于：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。6.根据权利要求1所述的一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器，其特征在于：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。7.根据权利要求1所述的一种基于可动栅极式场效应晶体管的微力传感器，其特征在于：所述的单个源极(9)、漏极(10)的宽度与工作栅极阵列5中单个栅极的宽度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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立波，高文迪，蒋庄德，李支康，赵玉龙，孙东，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61