内嵌通道式的微悬臂梁装置、加工方法及一种检测方法与流程

本发明主要涉及到集成电路中mems(micro-electro-mechanicalsystem)领域，特指一种新型的内嵌通道式的微悬臂梁装置、加工方法及检测方法。

背景技术：

随着微纳米技术的快速发展，一种新型的交叉学科微机电系统技术-mems技术得到了飞速的发展。到1990年代，以微压力传感器和微加速度传感器为代表的微机电传感器凭借低成本、小体积、高性能的优势，成为精密传感器发展的主流。较成功的微机电传感器，如谐振式压力传感器和力平衡式电容微加速度传感器都采用了微悬臂梁结构。微悬臂梁装置作为一种最简单的mems器件之一，也是构建其他复杂mems器件的基本单元，一切的mems技术的优点都在它身上得以体现，对微悬臂梁的研究也在更加的深入。

传统的微悬臂梁传感器主要为矩形状，在单晶硅的微悬臂梁骨架上键合一层特异性的吸附层，利用分子的特异吸附性将被测分子吸附到吸附层，从而达到检测分子的目的。但这种微悬臂梁的不足之处在于无法对液相的检测物进行检测。微流控芯片的目标是把整个化验室的功能,包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，是当前微全分析系统领域发展的重点，但其缺少传感的特性。

申请号为2016104117634的专利文献中公开了“一种称量dna分子质量的微悬臂梁装置”，所提出的微悬臂梁装置上层有所需要称重dna的吸附层，自由端上下侧各有一个微位移传感器，通过dna吸附层吸附所称量的dna分子，从而使微悬臂梁自由端发生弯曲形变，再由微位移传感器检测出形变量。但是，这种微悬臂梁装置在dna分子吸附层上的加工过于繁琐，且dna分子吸附层吸附dna分子容易出现误差，微位移传感器的检测精度不够高，容易产生较大的误差。

技术实现要素：

为了将微流控芯片的功能与微悬臂梁传感特性合二为一，发明了一种新型的内嵌通道式硅微悬臂梁。包括：微悬臂梁的固定端102、内嵌通道105、内嵌通道的衬底104和盖板103，以及内嵌通道的微流体入口101和微流体出口100。其中内嵌通道和盖板为一体结构。该微梁可以阵列加工，分别用作测试梁和参考梁。该梁可为等截面梁，也可为变截面梁。除了为悬臂梁结构，也可为双支梁结构。该微悬臂梁可以实现微流体的分离、检测；微纳粒子的质量检测；生物细胞的质量检测及生长状况的监测等。

本发明的另一个目的在于提供了一种内嵌通道式微悬臂梁的加工方法。采用soi(silicononinsulator)晶圆来加工内嵌通道式微悬臂梁，主要包括光刻、刻蚀、退火加工处理、释放结构层等步骤。

本发明的一种内嵌通道式的微悬臂梁，其技术方案包括固定端102、内嵌通道105、衬底104和盖板103，以及内嵌通道微流体入口101，所述微悬臂梁的一侧是固定端102，微悬臂梁的另一侧为梁，所述梁为等截面梁，或者为变截面梁；梁底部是衬底104，梁上端面是盖板103，以及衬底104和盖板103之间的内嵌通道105，内嵌通道105至少带有内嵌通道微流体入口101，所述衬底104、盖板103和固定端102为一体结构。

进一步，内嵌通道105还带有与内嵌通道微流体入口101连通的内嵌通道微流体出口100，并且内嵌通道微流体入口101、内嵌通道微流体出口100的位置可以根据需要合理布置。

进一步，整个内嵌通道105根据需要成一字型，或者矩形通道，或者u字形通道，或者蛇形通道，或者树状型通道，或者十字分叉通道。

进一步，所述梁的俯视形状为矩形，或者三角形，或者梯形。

进一步，多个内嵌通道式的微悬臂梁的固定端(102)依次平行排列构成内嵌通道式的微悬臂梁阵列。

进一步，内嵌通道式的微悬臂梁阵列分别用作测试梁和参考梁。

本发明的加工方法的技术方案为：一种内嵌通道式的微悬臂梁的加工方法，包括以下步骤：

步骤1、根据要求，设计通道和梁的结构和尺寸，选取合适的soi晶圆，soi晶圆结构主要包括单晶硅衬底层202、sio2埋氧层201以及单晶硅结构层200；并将单晶硅衬底层202进行氧化形成单晶硅衬底层202的氧化层；

步骤2、对soi晶圆单晶硅衬底层202的氧化层光刻，为释放悬臂梁做准备；

步骤3、刻蚀soi晶圆衬底层的氧化层，为刻蚀单晶硅衬底层202开窗；

步骤4、对单晶硅结构层200进行一次光刻，为了形成悬臂梁，掩模图形依据悬臂梁的外轮廓；

步骤5、对单晶硅结构层200进行等离子体干法刻蚀，刻蚀深度要求小于单晶硅结构层200的厚度；

步骤6、对单晶硅结构层200进行二次光刻，此步骤为形成内嵌通道，掩模图形为小的矩形阵列；

步骤7、对单晶硅结构层200进行二次等离子体干法刻蚀，刻蚀到sio2埋氧层201时停止，形成硅沟槽；

步骤8、高温退火，对形成硅沟槽的单晶硅结构层200进行退火处理，会在结构层的内部形成所需要的微通道，并同时形成盖板，退火持续一定的时间；

步骤9、对soi晶圆衬底层202进行等离子体干法刻蚀；

步骤10、微悬臂梁释放。

进一步，退火环境为氢气环境或高真空下，退火温度为1130±30℃，退火时间为10分钟至20分钟之间。

本发明的检测方法技术方案为：一种内嵌通道式微悬臂梁的检测方法，包括按照内嵌通道式的微悬臂梁的加工方法制作出的微悬臂梁(701)、用于发射激光的激光发射器(702)、对微悬臂梁发生弯曲形变量进行检测的psd光电位移传感器(703)以及计算机数据处理显示系统(704)；

在检测称重之前，用激光发射器(702)发出激光照射到微悬臂梁(701)的自由端，激光反射之后照到psd光电位移传感器(703)上，为a点；

含细胞微流体会使微悬臂梁产生一定的弯曲形变量,记为δz；

当激光发射器(702)再次发出的激光照射到变形的微悬臂梁自由端时，反射到psd光电位移传感器(703)上，记为b点；a、b两点之间的距离记为δs；

接收的距离数据通过传感器传送到计算机数据处理显示系统(704)中进行处理，根据光杠杆法的原理，计算出微悬臂梁的弯曲变形量l为微悬臂梁自由端长度，l为激光从微悬臂梁(701)的自由端经反射照到psd光电位移传感器(703)上的路径；微悬臂梁受平均载荷作用而产生的弯曲量其中，e为微悬臂梁的弹性模量，m为所称重的细胞的质量，g为重力加速度，t为son结构层的厚度，a为son结构层的宽度，光杠杆法检测出的微悬臂梁的弯曲变形量即为微悬臂梁受因注入的带有待测细胞的微流体而产生的平均载荷作用产生的弯曲量。

本发明与现有技术相比，具有如下的优势：

(1)传统的微悬臂梁是在微悬臂梁的上表面覆盖一层吸附层，以达到吸附目标分子的目的，此种方法只能用于检测固态的或者气态的被测物；而内嵌通道式微悬臂梁能够将固态的被测物混合于液相的微流体，极大的扩展了微悬臂梁检测被测物的领域，同时也能够使得被测物得到充分的反应或分离。微悬臂梁的结构新颖，与传统的衬底加被测物吸附层的微悬臂梁相比，内嵌通道式微悬臂梁将被测物从微悬臂梁的上表面以微流体的形式转移到微悬臂梁的内嵌微通道中，使得检测更加灵活。同时，微悬臂梁的内嵌通道可以设计多种形状的微通道，如矩形、u型、树状型、蛇形等，以达到检测的目的。

(2)内嵌通道式微悬臂梁的加工是基于一种son结构的加工方法。此方法主要包括光刻、退火以及后处理三个步骤，与传统的微悬臂梁加工相比，减少了键合的步骤，极大的减少了加工工序。

(3)内嵌通道式微悬臂梁能够应用到很多的领域，比如对微粒子或者活细胞进行称重。利用内嵌通道式微悬臂梁的加工方法在微悬臂梁的前端同步加工出对应的单晶硅材料的微流控芯片，用于对微流体进行分离控制、混合反应，再之后利用内嵌通道式微悬臂梁进行检测，从而到达控制与检测为一体的创新。

(4)加工方法使得衬底(104)、盖板(103)和固定端(102)为一体结构，结构紧凑，性能更加稳定，同时大大提高了测量精度。

附图说明

图1为具有内嵌通道的一种微悬臂梁；(a)为俯视图；(b)为a-a截面剖视图；

图2为制作内嵌通道的微悬臂梁的工艺流程。

图3为图2中步骤(d)形成微悬臂梁用的掩模图。

图4为图2中步骤(f)形成内嵌通道和悬臂梁用的掩模图。

图5为一种内嵌通道的微悬臂梁阵列图；(a)一字型内嵌通道的微悬臂梁阵列图；(b)为u型内嵌通道的微悬臂梁阵列图；

图6为一种三角形变截面的内嵌通道微悬臂梁。

图7为内嵌通道形状变化(十字分叉)的微悬臂梁。

图8为单细胞称重的系统结构简图。

图中，100-内嵌通道微流体出口；101-内嵌通道微流体入口；102-微悬臂梁的固定端；103-盖板；104-衬底；105-内嵌通道；200—单晶硅结构层；201—sio2埋氧层；202—单晶硅衬底层；701—具有内嵌通道的微悬臂梁；702—激光发射器；703—psd光电位移传感器；704—数据处理显示系统。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明提出一种内嵌通道的微梁结构，包括固定端102、内嵌通道105、衬底104和盖板103，以及内嵌通道微流体入口101，所述微悬臂梁的一侧是固定端102，微悬臂梁的另一侧为梁，所述梁为等截面梁，或者为变截面梁；梁底部是衬底104，梁上端面是盖板103，以及衬底104和盖板103之间的内嵌通道105，内嵌通道105至少带有内嵌通道微流体入口101，所述衬底104、盖板103和固定端102为一体结构。

微流体的出口不是必须的，并且入口和出口的位置可以根据需要合理布置。如图1所示，内嵌通道105还带有与内嵌通道微流体入口101连通的内嵌通道微流体出口100，并且内嵌通道微流体入口101、内嵌通道微流体出口100的位置可以根据需要合理布置。

如图5所示，多个内嵌通道式的微悬臂梁的固定端102依次平行排列构成内嵌通道式的微悬臂梁阵列。内嵌通道式的微悬臂梁阵列分别用作测试梁和参考梁。

为了增加被测微流体检测数量，可以增加通道的长度；将整个内嵌通道105根据需要设计成一字型(如图5)，或者矩形通道，或者u字形通道(如图1)，或者蛇形通道；也可以根据筛选微流体内流动速率的不同，将整个内嵌通道105根据需要设计成树状型通道，或者十字分叉通道(如图7)等等。

根据被测微粒体检测灵敏度的不同，所述梁的俯视形状可以为矩形(如图1)，或者三角形(如图6)，或者梯形。

参见图2所示，本发明所提出的一种内嵌通道式的微悬臂梁的加工方法。此加工方法过程如下：

(a)soi晶圆背面氧化；(b)soi晶圆单晶硅衬底层光刻；(c)刻蚀soi晶圆单晶硅衬底层的氧化层；(d)对soi晶圆的单晶硅结构层进行一次光刻；(e)对soi晶圆的单晶硅结构层进行等离子体干法刻蚀；(f)对soi晶圆的单晶硅结构层进行二次光刻；(g)对soi晶圆的单晶硅结构层进行二次等离子体干法刻蚀；(h)高温真空退火；(i)对soi晶圆的单晶硅衬底层进行等离子体干法刻蚀；(j)悬臂梁释放。具体加工过程为：

步骤1、根据要求，设计通道和梁的结构和尺寸，选取合适的soi晶圆，soi晶圆结构主要包括单晶硅衬底层202、sio2埋氧层201以及单晶硅结构层200；并将单晶硅衬底层202进行氧化形成单晶硅衬底层202的氧化层；如图2步骤(a)所示。

步骤2、对soi晶圆单晶硅衬底层202的氧化层光刻，为释放悬臂梁做准备；如图2步骤(b)所示。

步骤3、刻蚀soi晶圆衬底层的氧化层，为刻蚀单晶硅衬底层202开窗；如图2步骤(c)所示。

步骤4、对单晶硅结构层200进行一次光刻，为了形成悬臂梁，掩模图形依据悬臂梁的外轮廓；如图2步骤(d)所示。图3为步骤(d)形成微悬臂梁用的掩模图，该掩模图为中部凸起的矩形，凸起矩形的外围三个边形成矩形凹槽。

步骤5、对单晶硅结构层200进行等离子体干法刻蚀，刻蚀深度要求小于单晶硅结构层(200)的厚度；如图2步骤(e)所示。

步骤6、对单晶硅结构层200进行二次光刻，此步骤为形成内嵌通道，掩模图形为小的矩形阵列；如图2步骤(f)所示。图4为步骤(f)形成内嵌通道和悬臂梁用的掩模图，中部凸起的矩形阵列尺寸为500nm-1μm间隔。

步骤7、对单晶硅结构层200进行二次等离子体干法刻蚀，刻蚀到sio2埋氧层201时停止；形成硅沟槽，如图2步骤(g)所示。

步骤8、高温退火，对形成硅沟槽的单晶硅结构层200进行退火处理，会在结构层的内部形成所需要的微通道，并同时形成盖板，退火持续一定的时间；本实施例优选退火环境为氢气环境或高真空下，退火温度为1130±30℃，退火时间为10分钟至20分钟之间，制作的效果最佳，制作精度高，满足试验要求。如图2步骤(h)所示。

步骤9、对soi晶圆衬底层202进行等离子体干法刻蚀；如图2步骤(i)所示。

步骤10、微悬臂梁释放。如图2步骤(j)所示。

所述内嵌通道式微悬臂梁的应用领域有很多，以称量单个微小细胞为例来介绍内嵌通道式微悬臂梁的应用。

参见图8所示，包括带有内嵌通道的微悬臂梁701、用于发射激光的激光发射器702、对微悬臂梁发生弯曲形变量进行检测的psd光电位移传感器703以及计算机数据处理显示系统704。

在检测称重之前，用激光发射器702发出激光照射到微悬臂梁701的自由端，激光反射之后照到psd光电位移传感器703上，为a点。含细胞微流体通过微流控芯片，经过介电电泳分离，将单个的细胞分离出来，最后流入微悬臂梁的内嵌通道里，注入的含单个细胞的微流体会使微悬臂梁产生一定的弯曲形变量,记为δz。当激光发射器702再次发出的激光照射到变形的微悬臂梁自由端时，反射到psd光电位移传感器703上，记为b点。a、b两点之间的距离记为δs。接收的距离数据通过传感器传送到计算机数据处理显示系统704中进行处理，根据光杠杆法的原理，计算出微悬臂梁的弯曲变形量微悬臂梁受平均载荷作用而产生的弯曲量其中，e为微悬臂梁的弹性模量，m为所称重的细胞的质量，g为重力加速度，t为son结构层的厚度，a为son结构层的宽度。光杠杆法检测出的微悬臂梁的弯曲变形量即为微悬臂梁受因注入的带有待测细胞的微流体而产生的平均载荷作用产生的弯曲量。

本发明中的内嵌通道微悬臂梁，使用场合包括：当含有纳米粒子或细胞的微流体流入微通道内，悬臂梁的形状和固有频率会发生变化，通过检测梁的位移变化或频率变化可以测纳米粒子或细胞的质量；如果细胞进入微悬臂梁的微通道内，可以连续检测微悬臂梁的特性变化，可以测得细胞的生长变化情况；多种粒子混合微流体，可以设计合适的微通道，使粒子在微通道内进行分离，进而检测等。

本发明中的所述微通道和盖板是采用将刻有沟槽的单晶硅材料退火加工形成的，单晶硅材料在高温熔融状态下有较大的化学活泼性，硅原子在高温氢化退火过程中会发生迁移以及重结晶，从而同时形成微通道和盖板，无需进行其他键合工艺，大大减少了加工工序。

综上，本发明的一种新型的内嵌通道式的微悬臂梁及其加工方法，属于mems(微机电系统)领域。本发明中的内嵌通道式微悬臂梁与传统的微悬臂梁有所不同，是在微悬臂梁的内部形成微通道，可起到微流控芯片的作用，同时与微悬臂梁的传感器特性有机结合。此种微悬臂梁可采用一种基于son结构的加工方法来制造，可实现纳米级别的检测。本发明是一种新型的微悬臂梁，加工方法更加简洁，应用领域大大增加，同时检测精度也极大地提高。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。