[发明专利]纳米梁上MOS电容衬底的压阻结构及检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在厚度为纳米量级的梁上利用金属-氧化物-半导体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)电容衬底的压阻结构以及利用压阻效应实现对纳米梁弯曲的检测的方法。属于传感器领域。

背景技术

纳机电系统技术(Nano Electro Mechanical System，NEMS)是微机电技术(Micro Electro Mechanical System，MEMS)的发展，是纳米技术的重要组成部分。由于利用了纳米尺度结构的表面效应、尺度效应等纳米效应可以实现新型器件，实现现有器件性能的显著提升(K.L.Ekinci，M.L.Roukes.Nanoelectromechanical systems.Review of Scientific Instruments，Vol.76，061101，2005.)(Miles Blencowe.Quantum electromechanical systems.PhysicsReports，Volume 395，Issue 3，May 2004，pp.159-222)。

本申请所述的纳米尺度范围为≤200nm，该特征尺度在纳米量级的梁结构是纳机电系统技术中的基本结构。微/纳机电系统结构的位移、振动等一般均会引起梁的弯曲。因此弯曲是微/纳机电系统中梁运动的重要方式。本文中将梁弯曲的方向定义为厚度方向。本文中所指的纳米梁是指弯曲方向的尺度在纳米量级的梁。

由于纳机电器件的特征尺度小，造成位移检测的难度高。传统的电容检测、压阻检测等技术面临一系列的问题。例如，电极尺寸为40μm×10μm、间隙为1μm的结构，其电容仅为3.5fF，纳米结构的电容一般在10^-18F量级，远小于寄生电容(K.L.Ekinci，M.L.Roukes.Nanoelectromechanical systems.Review of Scientific Instruments，Vol.76，061101，2005.)，电容检测的难度极高。现有的检测方法主要有电磁检测(X.M.H.Huang，C.A.Zorman，M.Mehregany，M.L.Roukes.Nanodevice motion in microwave frequencies.Nature，Vol.421，30 Jan.2003，p.496.)、光学测量法(B.Ilic，Y.Yang，K.Aubin，R.Reichenbach，S.Krylov，H.G.Craighead.Enumeration of DNA Molecules Boundto a Nanomechanical Oscillator.Nano Lett.Vol.5，2005，pp.925-9.)等。电磁检测技术可以实现对高频信号的测量，测量精度也较高，应用较为广泛。但是由于纳米结构的位移小，需要有很强的磁场才能实现测量(X.M.H.Huang，C.A.Zorman，M.Mehregany，M.L.Roukes.Nanodevice motion in microwavefrequencies.Nature，Vol.421，30Jan.2003，p.496.)。而采用强磁场的电磁检测一般难以集成。光干涉测量法在微米下是种较为常用的方法。但是激光光斑一般在微米量级，随着梁的尺度减小到纳米量级，纳米梁上的光的反射强度越来越小，使得检测系统需要复杂的设备才能完成，且光学检测通常也无法实现单片集成。

压阻检测技术是微机电系统中常用的检测方法，得到了广泛应用，如AFM(M.Tortonese，R.C.Barrett，and C.F.Quate，Atomic resolution with anatomic force microscope using piezoresistive detection，Appl.Phys.Lett.，Vol.62，No.8，22 February 1993，PP.834-836)、数据存储器(H.J.Mamin，R.P.Ried，B.D.Terris，and D.Rugar，High-Density Data Storage Based on the Atomic ForceMicroscope，Proc.IEEE 87，1014(1999))。压阻检测技术是利用半导体电阻的电阻率随应力变化的特性，通过测量梁上制作的半导体电阻阻值随电阻所处位置的应力变化来测量梁的弯曲。用于压阻检测的半导体电阻通常称为力敏电阻。