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CN101344447A - 微机电压力传感器 - Google Patents

微机电压力传感器 Download PDF

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CN101344447A
CN101344447A CNA2007100760419A CN200710076041A CN101344447A CN 101344447 A CN101344447 A CN 101344447A CN A2007100760419 A CNA2007100760419 A CN A2007100760419A CN 200710076041 A CN200710076041 A CN 200710076041A CN 101344447 A CN101344447 A CN 101344447A
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China
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carbon nanotube
electromechanical pressure
vibrating membrane
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乔东海
姚湲
姜开利
刘亮
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Tsinghua University
Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
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Tsinghua University
Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
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    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
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Abstract

本发明涉及一种微机电压力传感器，其包括一个基底、一个介质隔离层、至少两个电极及一个振动膜。该基底具有一个声腔。该介质隔离层形成在该基底上，该介质隔离层具有与该声腔相通的通孔。该至少两个电极分别形成在介质隔离层上。该振动膜覆盖介质隔离层的通孔。其中，该振动膜包括至少一个碳纳米管结构，该碳纳米管结构的两端分别与该两个电极电连接。所述的微机电压力传感器，通过振动膜内嵌碳纳米管，以增加振动膜的顺度，从而可提高微机电压力传感器的灵敏度。

Description

微机电压力传感器
技术领域
本发明涉及一种微机电系统器件，尤其涉及一种微机电压力传感器。
背景技术
基于硅基片的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)器件，如微机电压力传感器已经有近20年的研究历史，由于其良好的性能及易于批量生产等优点，可望逐步在移动通讯、多媒体系统、消费电子和助听器等方面替代传统的驻极体麦克风(Electret Condenser Microphone，ECM)。
目前的微机电压力传感器一般包括两个部分，即传感部分和专用集成电路部分，该传感部分具有与声音响应的振动膜。然而该传感部分产生的电压负载能力非常小，因此，必须与专用集成电路部分提供的高输入阻抗、低噪声的前置放大器连接。这使目前微机电压力传感器的电路设计复杂，成本增力。
另一方面，对微机电压力传感器的传感部分的设计主要是振动膜的设计。微机电压力传感器要使每个微机电压力传感器的传感部分尽量小，为了微机电压力传感器的灵敏度，就要求增大振动膜的顺度。碳纳米管有非常好的机械特性和压阻特性，内嵌碳纳米管阵列的薄膜可以做得非常薄，因而可以大大地提高膜的顺度，且有足够的机械性能。这在文献中有揭示，文献“Nano-Electromechanical Displacement Sensing Based on Single-WalledCarbon Nanotubes”(C.Stampfer etc，Nano letters，2006，Vol.6，No.7，pp.1149-1453.)中提到“碳纳米管沿轴向被拉伸时，其电阻将产生非常明显的变化，这种变化可以通过电的方式检测到”。而目前的微机电压力传感器并未采用碳纳米管结构。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种内嵌碳纳米管结构的的微机电压力传感器。
一种微机电压力传感器，其包括：一个基底、一个介质隔离层、至少两个电极及一个振动膜。该基底具有一个声腔。该介质隔离层形成在该基底上，该介质隔离层具有与该声腔相通的通孔。该至少两个电极分别形成在介质隔离层上。该振动膜覆盖介质隔离层的通孔。其中，该振动膜包括至少一个碳纳米管结构，该碳纳米管结构的两端分别与该两个电极电连接。
所述的微机电压力传感器，通过振动膜内嵌碳纳米管结构，以增加振动膜的顺度，从而可提高微机电压力传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的一种微机电压力传感器的截面示意图。
图2为图1中微机电压力传感器的俯视示意图。
图3为本发明第二实施例提供的一种微机电压力传感器的俯视示意图。
图4为本发明第三实施例提供的一种微机电压力传感器的截面示意图。
图5为图4中微机电压力传感器的俯视示意图。
图6为本发明第四实施例提供的一种微机电压力传感器的俯视示意图。
图7为本发明第五实施例提供的一种微机电压力传感器的截面示意图。
图8为本发明第六实施例提供的一种微机电压力传感器的截面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
请一并参阅图1及图2，本发明提供一种微机电压力传感器100，该微机电压力传感器100包括一个基底102、形成在该基底102上的一个介质隔离层104、分别形成在该介质隔离层104上的两个电极106及一个振动膜108。
该基底102的背部具有一个声腔110，该声腔110通常由硅片通过背部体刻蚀工艺制备，它的功能是提高传感器100的灵敏度。该基底102的材料选自半导体材料，优选为硅片，该硅片可为半导体工艺中常用的轻掺杂的n型硅片、p型硅片或本征硅片。该介质隔离层104具有与该声腔110相通的通孔112，优选的，该介质隔离层104的材料可选自二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)，该介质隔离层104的厚度为2～10微米，其具有隔离和支撑作用。
该振动膜108形成在介质隔离层104上并覆盖介质隔离层104的通孔112，该振动膜108包括两层有机膜114及多个带状碳纳米管结构116，本实施例中，该多个碳纳米管结构116为碳纳米管。有机膜114的材料一般为有机材料，如二氯代环二聚体(Parylene C)或聚酰氨等。
该多个碳纳米管116位于振动膜108内的同一平面且相互间隔平行排列。各碳纳米管116可以是从超顺排碳纳米管阵列或其它碳纳米管阵列拉取所形成的碳纳米管。优选的，该多个碳纳米管116的定向排列方向是相互平行的。振动膜108上的压力变化引起碳纳米管116沿轴向方向的形变，从而碳纳米管116的阻值发生变化，该阻值的变化可通过外接电路，以便被外部的检测电路测量到，从而实现将机械形变转化为电信号输出。
该两个电极106呈长条状形成在介质隔离层104之上。各碳纳米管116的两端延伸至振动膜108之外且与两个电极106电连接，因此，各碳纳米管116之间形成电路的并联关系。
另外，为平衡微机电压力传感器100在大气中的静压力，该振动膜108开设多个小孔118。该微机电压力传感器100进一步包括一个背板120，该背板120是设置于基底102与介质隔离层104之间。该背板120对应通孔112的位置上开设有多个声学孔122。背板120的材料通常是高掺杂的硅，如浓硼扩散的硅。该背板120的设置可提供声学阻尼，以使微机电压力传感器100在宽的频率范围内，得到平坦的频率响应。
请参阅图3，本发明第二实施例提供一种微机电压力传感器200。该微机电压力传感器200具有多个形成在介质隔离层204之上的电极206。该多个电极206在介质隔离层204两侧边上设置成平行的相隔一定距离的两列。各个碳纳米管216的两端分别与位于不同列的两个电极206电连接，相邻的两个碳纳米管216的一端同时与一个电极206电连接，相邻的两个碳纳米管216的另一端分别与同一列上相邻的两个电极206电连接，从而使各个碳纳米管216的两端分别与各个电极206电连接而使各碳纳米管216之间形成电路的串联关系。
请一并参阅图4及图5，本发明第三实施例提供的一种微机电压力传感器300，该微机电压力传感器300与本发明第一实施例的微机电压力传感器100不同之处在于，该微机电压力传感器300包括多个交叉排列的碳纳米管316及形成在介质隔离层304上的四个电极306，该多个碳纳米管316位於振动膜308的两个不同平面内，位于同一平面内的多个碳纳米管316彼此间隔地平行设置，位于不同平面的各个碳纳米管316是彼此绝缘的且相互垂直地排列。该四个电极306分别分布于振动膜308之四周。
在同一个平面内，各个碳纳米管316的一端连接于同一个电极306，另一端同时连接于另一个电极306，因此，同一个平面内各个碳纳米管316之间形成并联关系。采用双层碳纳米管316嵌入至振动膜308，可以增加本实施例的微机电压力传感器300的灵敏度。本实施例中，该双层碳纳米管的定向排列方向是相互垂直的，可以理解的是，该双层碳纳米管的定向排列方向还可以相交成其它锐角。
请参阅图6，本发明第四实施例提供的一种微机电压力传感器400。该微机电压力传感器400与本发明第二实施例的微机电压力传感器200不同之处在于，该微机电压力传感器400包括多个交叉排列的碳纳米管416及形成在介质隔离层404上的多个电极406，该多个碳纳米管416位於振动膜408的两个不同平面内，位于同一平面内的多个碳纳米管416彼此间隔地平行设置，位于不同平面的各个碳纳米管416是彼此绝缘的且相互垂直地排列。该多个电极406分别在介质隔离层404两相对侧边上设置成平行的相隔一定距离的两列。
在同一个平面内，各个碳纳米管416的两端分别与位于介质隔离层404两相对侧边的不同列的两个电极406电连接，相邻的两个碳纳米管416的一端同时与一个电极406电连接，相邻的两个碳纳米管416的另一端分别与同一列上相邻的两个电极406电连接，从而使各个碳纳米管416的两端分别与各个电极406电连接而使各碳纳米管416之间形成电路的串联关系。采用双层碳纳米管416嵌入至振动膜408，可以增加本实施例的微机电压力传感器400的灵敏度。
可以理解的是，上述第二实施例、第三实施例及第四实施例分别提供的微机电压力传感器200、300及400均可进一步包括第一实施例提供的背板120。
请参阅图7，本发明第五实施例提供的一种微机电压力传感器500，该微机电压力传感器500包括一个基底502、形成在该基底502上的一个介质隔离层504、形成在基底502与介质隔离层504间的背板520，形成在介质隔离层504上的一个金属膜506，以及形成在该金属膜506上的振动膜508，该振动膜508内嵌有多个碳纳米管516。
该介质隔离层504具有一个蚀刻孔524以暴露部分背板520，该暴露的部分背板520上形成有一个电极526，暴露的部分背板520与电极526间形成电连接。该背板520上也开设有多个声学小孔522。
由此，不动的背板520与由振动膜508带动的金属膜506构成一个电容，当振动膜508接收到变化的压力时，所述的电容也发生相应的变化，对变化电容的电学检测就可以实现压力的另一路传感。参考本发明前述实施例的由碳纳米管的电阻变化产生的传感信号，此实施例实际上可以得到两路传感信号。这两路传感信号可以相互参考，以便消除一些环境因素如温度等对测量结果的影响，也可以在电学上将两路信号相加，以提高整个传感器500的灵敏度。可以理解的是，该多个碳纳米管516也可如前述实施例所述的与电极(图未示)形成电连接。
请参阅图8，本发明第六实施提供的一种微机电压力传感器600，该微机电压力传感器600与本发明第五实施例提供的微机电压力传感器500不同之处在于，该微机电压力传感器600的振动膜608包括多个碳纳米管616，该多个碳纳米管616位於振动膜608的两个不同平面内，从而在振动膜608内形成双层碳纳米管层，层与层之间的各个碳纳米管616是彼此绝缘的。可以理解的是，该多个碳纳米管616也可如前述实施例所述的与电极(图未示)形成电连接。
需要指出的是，上述第三、第四及第六实施例中，双层碳纳米管中，上层碳纳米管内的各个碳纳米管之间的连接关系与下层碳纳米管内的各个碳纳米管之间的连接关系可不相同，如上层碳纳米管内的各个碳纳米管之间是电路串联关系，而下层碳纳米管内的各个碳纳米管之间的连接关系是电路并联关系，而不必以前述实施例为限。
本发明还包括第七及第八实施例提供的微机电压力传感器。在第七实施例的微机电压力传感器中，该碳纳米管结构为碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列为超顺排碳纳米管阵列或其它碳纳米管阵列。该碳纳米管阵列包括多个定向排列的碳纳米管。优选的，各束碳纳米管阵列中的碳纳米管的定向排列方向是相互平行的。振动膜上的压力变化引起碳纳米管阵列沿轴向方向的形变，从而使碳纳米管阵列的阻值发生变化，该阻值的变化可通过外接电路，以便被外部的检测电路测量到，从而实现将机械形变转化为电信号输出。
在第八实施例的微机电压力传感器中，该碳纳米管结构为碳纳米管薄膜，该多个碳纳米管薄膜位于振动膜的同一平面且相互间隔平行排列。各碳纳米管薄膜是从超顺排碳纳米管阵列拉取所形成的碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜包括多束定向排列且连续的碳纳米管束，而该多束碳纳米管束为具有相等的长度且通过范德华力首尾相连而形成的连续的碳纳米管束。该多束碳纳米管束的定向排列方向是沿着碳纳米管薄膜拉伸的方向排列。优选的，该多个碳纳米管薄膜中的碳纳米管束的定向排列方向是相互平行的。振动膜上的压力变化引起碳纳米管薄膜沿轴向方向的形变，从而碳纳米管薄膜的阻值发生变化，该阻值的变化可通过外接电路，以便被外部的检测电路测量到，从而实现将机械形变转化为电信号输出。
该多个碳纳米管薄膜可直接平行地铺设在下层有机膜上，然后，再用上层有机膜覆盖该碳纳米管薄膜而形成振动膜。由于该碳纳米管薄膜可宏观地直接从超顺排碳纳米管阵列拉取而形成，所以有机膜上铺设该碳纳米管薄膜可简单地进行。
可以理解的是，上述第七及第八实施例也可如前所述的第一至第六实施例进行变更设计。
本发明实施例提供的微机电压力传感器，通过振动膜内嵌碳纳米管结构，以增加振动膜的顺度，从而可提高微机电压力传感器的灵敏度，且碳纳米管结构通过串联或并联方式进行连接，可简化电路设计，以及方便与不同的检测电路连接。
需要指出的是，上述微机电压力传感器可应用于声学领域，也可适用于其它领域，如机械领域，该振动膜可感应机械应力的变化，并将其转化为电信号的输出。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化等。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (14)

1.一种微机电压力传感器，其包括：
一个基底，该基底具有一个声腔；
形成在该基底上的一个介质隔离层，该介质隔离层具有与该声腔相通的通孔；及
分别形成在介质隔离层上的至少两个电极及一个振动膜，该振动膜覆盖介质隔离层的通孔，其特征在于，该振动膜包括至少一个碳纳米管结构，该碳纳米管结构的两端分别与该两个电极电连接。
2.如权利要求1所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的振动膜包括至少两个碳纳米管结构，该至少两个碳纳米管结构在振动膜内位于同一平面，该至少两个碳纳米管结构的一端连接于同一个电极，另一端同时连接于另一个电极。
3.如权利要求1所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的振动膜包括至少两个碳纳米管结构，所述介质隔离层上形成至少三个电极，该碳纳米管结构在振动膜内位于同一平面，相邻的碳纳米管结构的一端连接于同一电极，另一端连接于不同电极。
4.如权利要求1所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的振动膜包括至少两个碳纳米管结构，所述介质隔离层上形成至少四个电极，该至少两个碳纳米管结构在振动膜内分别位于不同的平面，位于不同平面的各个碳纳米管结构是彼此绝缘的，同一平面内，各个碳纳米管结构的两端分别与两个电极形成电连接。
5.如权利要求4所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的位于不同平面内的各个碳纳米管结构相交成锐角或直角。
6.如权利要求1所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的基底为n型硅片、p型硅片或本征硅片。
7.如权利要求1所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的介质隔离层的材料为二氧化硅或氮化硅。
8.如权利要求1所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的振动膜开设多个小孔。
9.如权利要求1所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的微机电压力传感器进一步包括一个位于振动膜与基底间的背板，该背板具有多个声学孔，该多个声学孔分别与声腔及通孔相通。
10.如权利要求1所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的振动膜包括有机膜，该碳纳米管结构位于该有机膜内。
11.如权利要求10所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的有机膜材料为二氯代环二聚体或聚酰氨。
12.如权利要求1所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的微机电压力传感器包括金属膜，该金属膜位于振动膜与介质隔离层之间。
13.如权利要求9所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的微机电压力传感器进一步包括一个电极与介质隔离层上的一个蚀刻孔，该蚀刻孔以暴露部分背板，该暴露的部分背板与该电极电连接。
14.如权利要求1所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述的碳纳米管结构为碳纳米管、碳纳米管阵列或碳纳米管薄膜中的一种。
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