高灵敏微悬臂梁探针设计制作及特性研究.pdf

摘要
摘要
微悬臂梁作为微机电系统(Microelectromechanical system, MEMS)中常用的
微传感器,被广泛应用于力检测、质量检测、加速度检测、气压检测、化学生物
检测等领域。特别地,用以检测样品电子自旋、核自旋的磁共振力显微镜(MRFM)
需要能够检测到 aN(10-18N)甚至更小力的高灵敏微悬臂梁。热机械噪声限制了悬
臂梁极限力探测。基于此,更长、更薄、更窄的高品质因数(Q 值)微悬臂梁在极
低温下,是测量极小力的理想探测器。然而,尺寸变长变窄变薄会限制 Q 值,
因此设计时需要综合考虑。由于尺寸特性,高灵敏微悬臂梁与普通悬臂梁相比,
刚度低三个数量级,使得加工时容易造成损坏。此外,目前对于高灵敏微悬臂梁
的性能研究尚不全面,需要进一步进行深入研究。
本文基于 MEMS 微加工及 MRFM 系统,以高灵敏单晶硅微悬臂梁为研究对
象,以提高单晶硅微悬臂梁制作成批率、优化微悬臂梁结构、完善微悬臂梁特性
研究为目标,对单晶硅微悬臂梁的结构设计、基于 SOI 圆片的制作工艺、空气
及真空中的特性分析进行了系统的研究。
基于能量损耗模型和热噪声理论,对高灵敏微悬臂梁进行结构设计。悬臂梁
能量损耗分为空气阻尼损耗、热弹性损耗、支撑损耗、表面应力损耗等。真空中,
空气阻尼可以忽略,随着悬臂梁厚度降低,表面应力损耗成为制约品质因数的主
要因素。通过分析,对于所研究的高灵敏微悬臂梁,表面能量损耗远大于其他方
式能量损耗。热机械噪声限制了悬臂梁极限力探测。根据热噪声原理,设计出用
以探测 aN 的单晶硅微悬臂梁。
在高灵敏微悬臂梁制作方面,提出一种基于 SOI 圆片和湿法刻蚀体硅的单
晶硅微悬臂梁制作方法。湿法体硅刻蚀过程中采用表面氧化及黑蜡共同保护正
面。正面氧化一方面可以令正面保护更加完善,并且为后续埋氧层图形化做好了
准备,还可以对单晶硅微悬臂梁进行厚度减薄至指定厚度。SOI 埋氧层存在内应
力,实验中体硅刻蚀完毕时,埋氧层由于内部压应力的挤压作用发生变形破裂,
并对单晶硅微悬臂梁造成破坏。为解决该问题,提出了对埋氧层事先进行图形化,
即让其破裂在指定位置以避开悬臂梁,从而提高产率的方法。比较了矩形图形化
与悬臂梁图形化释放应力的优劣,矩形图形化后悬臂梁产率 50%,悬臂梁图形化
方式可以实现产率 100%,高于目前大量文献中提到的产率。此外,湿法过程中
刻蚀、清洗操作,采用溶液置换方法。将 SOI 圆片放在聚四氟乙烯小容器中进
行操作,避免直接操作器件,能够保护微悬臂梁不被液体张力破坏。由于 H2O
张力较大且挥发慢,直接从 H2O 取出悬臂梁容易造成损坏,因此我们将悬臂梁
的 H2O 环境置换成乙醇环境,从乙醇中取出样品。最终,在加热平板上烘干单
I
摘要
晶硅悬臂梁。实验中,制作了数批单晶硅微悬臂梁。长度为 250-500µm,宽度
10µm,厚度为 µm-1µm。
空气中微悬臂梁特性研究包括刚度、频率、Q 值、端头质量影响。制备出的
单晶硅微悬臂梁具有良好的低刚度特性,以 465×10× µm3 单晶硅微悬臂梁为
例,在悬臂梁上真空蒸发镀膜 48nm 厚的 Au 层,悬臂梁端头偏移位移达 14µm。
低刚度微悬臂梁,在空气中振动能量损耗主要来源于空气阻尼,上述单晶硅微悬
臂梁空气中 Q 值为 。通过涂胶方式,研究携带端头质量微悬臂梁的特性。
涂胶方式可以连续给同一根悬臂梁施加不同端头质量,与一次性微加工成型,方
法简单且测量数据更具有可比性。端头质量通过微悬臂梁频率偏移计算得到。当
端头质量为 ,悬臂梁 Q 值从 增至 。端头质量会影响各阶振动
频率,以 端头质量为例,悬臂梁前十阶振动频率均下降,与文献中所述
频率离散不符合,这归结于点质量加载与块体质量加载不同。
在 MRFM 应用方面,对微悬臂梁厚度、磁针尖进行了优化设计,并研究了
真空系统中悬臂梁的特性。悬臂梁优化厚度为四分之一波长的基数倍时,悬臂梁
反射信号最强。对于相同特征尺寸的圆锥、球体、圆柱体磁针尖,圆锥体产生的
近场磁场梯度最大;对于相同形状磁针尖,体积越小近场磁场梯度越大,但衰减
较快。在 77-220K 范围中,真空系统中的测试结果表明温度降低,微悬臂梁力探
测分辨率越高。微悬臂梁在 140K 时 Q 值出现最低值,与之对应体硅材料出现在
115K。端头集中质量会抑制微悬臂梁在真空中的 Q 值,这表明周期内表面能量
损耗与振动周期时间有关。微悬臂梁和光纤干涉仪光纤端面构成 FP 腔,通过光