專(zhuān)利名稱(chēng)：集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微壓力與微位移傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列。
現(xiàn)有技術(shù)中的真空微電子觸覺(jué)傳感器，目前只見(jiàn)到單管式真空微電子觸覺(jué)傳感器的文獻(xiàn)報(bào)道。如中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)的臺(tái)階陣列陰極真空微電子壓力傳感器，公開(kāi)號(hào)CN1144333A。該發(fā)明主要通過(guò)將平面陣列陰極真空微電子壓力傳感器的結(jié)構(gòu)改為臺(tái)階陣列陰極真空微電子壓力傳感器。該類(lèi)技術(shù)方案雖然提高了傳感器的靈敏度和量程，但它僅是一種單管式的真空微壓力傳感器，不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量多點(diǎn)微位移、微壓力和感知被測(cè)物的相應(yīng)形貌。
本發(fā)明的目的是提供一種溫度穩(wěn)定性好、抗輻射、響應(yīng)速度快、靈敏度和分辨率高、體積小的集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列。
本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)加以實(shí)現(xiàn)集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列，由真空微電子觸覺(jué)敏感元二維陣列、信號(hào)處理電路兩大部分組成。其中，構(gòu)成真空微電子觸覺(jué)敏感元二維陣列的觸覺(jué)敏感元由硅微場(chǎng)致發(fā)射陰極錐尖陣列(1)、真空微腔(2)、絕緣層(3)、陽(yáng)極彈性膜(4)組成，每個(gè)觸覺(jué)敏感元的陽(yáng)極彈性膜(4)經(jīng)隔離帶(5)隔離成獨(dú)立單元后與信號(hào)處理電路一體化三維集成；信號(hào)處理電路由水平方向掃描電路(6)、垂直方向掃描電路(7)、MOS開(kāi)關(guān)管陣列(8)和(8′)、信號(hào)輸出端(9)組成。水平方向掃描電路(6)的信號(hào)輸出打開(kāi)MOS開(kāi)關(guān)管陣列(8)上相應(yīng)列的開(kāi)關(guān)管，而垂直方向掃描電路(7)的信號(hào)輸出打開(kāi)MOS開(kāi)關(guān)管陣列(8′)上相應(yīng)行的開(kāi)關(guān)管，取出的觸覺(jué)信號(hào)由信號(hào)輸出端(9)送出。
本發(fā)明的主要技術(shù)特征是，將硅微場(chǎng)致發(fā)射陰極錐尖陣列(1)、真空微腔(2)、絕緣層(3)、陽(yáng)極彈性膜(4)經(jīng)隔離帶(5)隔離成獨(dú)立單元，真空微電子觸覺(jué)敏感元與信號(hào)處理電路同時(shí)一體化集成出真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。
附

圖1為集成真空微電子觸覺(jué)敏感元示意圖。在附圖1中，1為硅微場(chǎng)致發(fā)射陰極錐尖陣列，2為真空微腔，3為絕緣層，4為陽(yáng)極彈性膜。
附圖2為集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列截面示意圖。
附圖3為集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列平面分布示意圖。在附圖3中，6為水平方向掃描電路，7為垂直方向掃描電路，5為觸覺(jué)敏感元的隔離帶，9為信號(hào)輸出端，8和8′為MOS開(kāi)關(guān)管陣列。
附圖4為信號(hào)處理電路原理示意圖。在附圖4中，Vs為起始脈沖電壓，φ1,φ2為時(shí)鐘信號(hào)，e1,e2,eN-1,eN為信號(hào)處理電路的逐位輸出點(diǎn)，EOS為余位寄存器輸出。
觸覺(jué)敏感元的工作原理是，陽(yáng)極彈性膜(4)相對(duì)硅微場(chǎng)致發(fā)射陰極錐尖陣列(1)施加一定的正電壓(起始發(fā)射電壓)，在陰極錐尖表面形成加速電場(chǎng)，引起場(chǎng)致發(fā)射，在陰極、陽(yáng)極之間形成電流(起始發(fā)射電流)，當(dāng)電壓一定時(shí)，陽(yáng)極彈性膜(4)受力變形，陰極、陽(yáng)極之間的距離發(fā)生變化，此時(shí)陰極錐尖表面的場(chǎng)強(qiáng)也相應(yīng)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致陰極、陽(yáng)極之間的電流密度隨場(chǎng)強(qiáng)變化而變化，而且這種變化相當(dāng)敏感。由于發(fā)射的電子是在真空中輸運(yùn)，溫度等因素的影響在理論上可忽略不計(jì)，因而這種結(jié)構(gòu)的真空微電子觸覺(jué)敏感元具有靈敏度高，溫度穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明提供的集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列，正是將具有上述特點(diǎn)的四個(gè)以上的真空微電子觸覺(jué)敏感元以二維陣列的排列方式與信號(hào)處理電路同時(shí)一體化三維集成在同一芯片上，其平面分布如附圖3所示。集成的每個(gè)觸覺(jué)敏感元的陽(yáng)極彈性膜(4)與對(duì)應(yīng)的MOS開(kāi)關(guān)管陣列(8)的相應(yīng)開(kāi)關(guān)管漏極相連，水平方向掃描電路(6)的移位寄存器逐位輸出線依次接在相應(yīng)的MOS開(kāi)關(guān)管陣列(8)的開(kāi)關(guān)管柵極上，而開(kāi)關(guān)管陣列(8)的相應(yīng)開(kāi)關(guān)管源極則分別與每行水平輸出線相連；垂直方向掃描電路(7)的移位寄存器逐位輸出線依次接在相應(yīng)MOS開(kāi)關(guān)管陣列(8′)的柵極上。而水平輸出線則接在對(duì)應(yīng)的(8′)的相應(yīng)開(kāi)關(guān)管源極上，MOS開(kāi)關(guān)管陣列(8′)的相應(yīng)開(kāi)關(guān)管漏極接在觸覺(jué)敏感元二維陣列的信號(hào)輸出端(9)上。經(jīng)相應(yīng)時(shí)鐘及周期性起始脈沖信號(hào)的控制，逐位打開(kāi)相應(yīng)位置的MOS開(kāi)關(guān)管陣列(8)和(8′)，從而實(shí)現(xiàn)逐行逐列的掃描及觸覺(jué)敏感元二維陣列各單元信號(hào)的依次獲取和串行輸出。由于本方案制作的信號(hào)處理電路是一種抗輻射的低功耗電路，因而其功耗與位數(shù)無(wú)關(guān)。
下面簡(jiǎn)述集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列的制作工藝，其制作工藝主要包括兩部分首先是真空微電子觸覺(jué)敏感元二維陣列的制作，然后是信號(hào)處理電路的加工，具體描述如下A二維真空微電子觸覺(jué)敏感元陣列的制作(1)預(yù)處理2-8Ω.cm的n型<100>單晶硅片；(2)熱氧化生長(zhǎng)1.5μm的SiO2；(3)光刻觸覺(jué)敏感元二維陣列的陰極錐尖陣列；(4)采用干法和濕法相結(jié)合的腐蝕方法，腐蝕陰極錐尖陣列；(5)對(duì)陰極錐尖陣列進(jìn)行氧化銳化處理，完成陰極錐尖的制作；(6)背面光刻，即將光刻對(duì)位標(biāo)記轉(zhuǎn)移到背面，以便向正面轉(zhuǎn)移；(7)用電阻率2Ω.cm左右的n型<100>雙面拋光硅片作為觸覺(jué)敏感元的陽(yáng)極膜，與己形成陰極錐尖陣列的硅片鍵合；(8)將鍵合上的陽(yáng)極膜硅片減薄，拋光形成20μm左右的硅膜；(9)熱生長(zhǎng)1μm的SiO2；(10)光刻，各向異性腐蝕陽(yáng)極膜隔離帶；(11)熱氧化100nmSiO2；(12)LPCVD淀積多晶硅將隔離帶填平；(13)表面平坦化處理，去掉除隔離帶外的多晶硅。B、用常規(guī)MOS工藝完成信號(hào)處理電路的制作。
本發(fā)明具有溫度穩(wěn)定性好，靈敏度與分辨率高、響應(yīng)速度快、功耗低、抗輻射、體積小等優(yōu)點(diǎn)。它既可測(cè)量多點(diǎn)微壓力與微位移，又可感知被測(cè)物體的相應(yīng)形貌，是一種用途極為廣泛的集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列。
權(quán)利要求
1.集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列，包括真空微電子觸覺(jué)敏感元二維陣列、信號(hào)處理電路兩部分，其中，構(gòu)成觸覺(jué)敏感元二維陣列的觸覺(jué)敏感元由硅微場(chǎng)致發(fā)射陰極錐尖陣列(1)、真空微腔(2)、絕緣層(3)、陽(yáng)極彈性膜(4)組成，信號(hào)處理電路由水平方向掃描電路(6)、垂直方向掃描電路(7)、MOS開(kāi)關(guān)管陣列(8)和(8′)、信號(hào)輸出端(9)組成，其特征是構(gòu)成的觸覺(jué)敏感元二維陣列與信號(hào)處理電路共同一體化集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列。
2.按權(quán)利要求1所述的集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列，其特征是真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列以二維方式集成，每個(gè)觸覺(jué)敏感元的陽(yáng)極彈性膜(4)經(jīng)隔離帶(5)隔離成獨(dú)立單元后與信號(hào)處理電路一體化三維集成。
3.按權(quán)利要求1所述的集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列，其特征是水平方向掃描電路(6)的信號(hào)輸出打開(kāi)MOS開(kāi)關(guān)管陣列(8)上相應(yīng)列的開(kāi)關(guān)管，而垂直方向掃描電路(7)的信號(hào)輸出打開(kāi)MOS開(kāi)關(guān)管陣列(8′)上相應(yīng)行的開(kāi)關(guān)管，取出的觸覺(jué)信號(hào)由信號(hào)輸出端(9)送出。
全文摘要
集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列,由真空微電子觸覺(jué)敏感元二維陣列、信號(hào)處理電路兩大部分組成。其中,構(gòu)成觸覺(jué)敏感元二維陣列的觸覺(jué)敏感元由硅微場(chǎng)致發(fā)射陰極錐尖陣列、真空微腔、絕緣層、陽(yáng)極彈性膜組成;信號(hào)處理電路由水平方向掃描電路、垂直方向掃描電路、MOS開(kāi)關(guān)管陣列、信號(hào)輸出端等組成。本發(fā)明具有溫度穩(wěn)定性好,靈敏度與分辨率高、響應(yīng)速度快、功耗低、抗輻射、體積小等優(yōu)點(diǎn)。它既可測(cè)量多點(diǎn)微壓力與微位移,又可感知被測(cè)物體的相應(yīng)形貌,是一種用途極為廣泛的集成真空微電子觸覺(jué)傳感器陣列。
文檔編號(hào)G01D5/14GK1297145SQ9912460
公開(kāi)日2001年5月30日 申請(qǐng)日期1999年11月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月18日
發(fā)明者溫志渝, 江永清, 何清義, 呂果林, 林鵬, 蔣子平 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)