基于新型解耦夹层结构LMGFET的高精度微力传感器研究

工程21（2023）61研究MEMS传感器-文章一种基于新型解耦夹层结构LMGFET的高文迪a，b，c，d，乔智霞e，韩祥光a，b，王晓章a，b，阿德南·沙库尔f，g，刘存朗a，卢德江a，b，刘晓波，杨平a，b，赵立波a，b，王永禄a，b，王久红a，b，蒋庄德a，b，Dong Suna，g制造系统工程国家重点实验室、微纳制造与测量技术国际联合实验室、微纳制造与测量技术海外引进中心、Xi交通大学（烟台）机械工程学院智能传感技术与系统研究所，b烟台先进材料与绿色制造山东省实验室，烟台265503c北京理工大学北京智能机器人与系统创新中心，北京100081d哈尔滨工业大学机器人与系统国家重点实验室，哈尔滨150006e中国航天科技有限公司六院第十一研究所，中国Xif沙特阿拉伯法赫德国王石油和矿产大学控制和仪表工程系，邮编：31261g香港城市大学生物医学工程系，中国香港阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2021年2022年3月8日修订2022年6月5日接受2022年8月13日在线提供保留字：力传感器横向可移动栅极场效应晶体管光敏SU-8生物医学显微操作A B S T R A C T提出了一种基于横向可移动栅场效应晶体管（LMGFET）的新型微力传感器。一个精确的电气模型提出了小规模LMGFET器件的性能评估，并表现出更高的精度与以前的模型相比。一种新型的三明治结构，包括一个金交叉轴去耦门阵列层和两个软光敏SU-8层被利用。该双差分传感结构大大消除了LMGFET横向工作时的输出电流对垂直干扰的影响，使传感器的输出相对误差从传统差分结构的4.53%降低到0.01%。一个切实可行的制造工艺也被开发和模拟所提出的传感器。该传感器的灵敏度为4.65lA·nN-1，与垂直可移动栅场效应晶体管（VMGFET）的灵敏度相当，但非线性度提高到0.78%，测量范围扩大到±5.10lN.这些分析提供了一个全面的设计优化的LMGFET器件的电气和结构参数，并证明了所提出的传感器©2022 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇CC BY-NC-ND许可（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍微机电系统（MEMS）微力传感器是许多生物医学研究中的有效和必要的工具这些工具已用于测量活细胞或组织中的杨氏微力传感器可以在微机器人生物医学操作中提供精确的力反馈，以提高自动化程度[6，7]和生物物体的存活率[8，9]。最近的研究*通讯作者。电子邮件地址：djlu@xjtu.edu.cn（D. Lu），libozhao@xjtu.edu.cn（L. Zhao）.已经集中在细胞器或分子水平上，从而增加了对低于纳牛顿水平的超低力传感的需求。当前的力感测装置主要基于感测原理，例如电容[10，11]、压阻[12，13]和压电[14，15]原理。可移动栅极场效应晶体管（MGFET）力传感器与竞争对手相比具有多项优势，例如晶体管阵列设计带来的高灵敏度[16，17]、方便的信号放大和集成电路模块化[18]，从而使低尺度力的片上测量变得可行。与传统的金属氧化物半导体场效应晶体管相比，MGFET器件在衬底沟道区域上方具有浮栅，并且由于气隙可以沿三个轴移动，如图1所示。当前https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.06.0182095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engW. Gao，Z. 乔，X. Han等人工程21（2023）6162图1.一、MGFET的感测单元Tinsu：绝缘体厚度;Lch：沟道长度;Zair：气隙厚度;Wch：整个通道宽度。源极和漏极之间的电压反映了所施加的外部负载。根据栅极移动方向，MGFET 器 件 分 为 两 种 类 型 ： 垂 直 MGFET （ VMGFET ） 和 横 向MGFET（LMGFET）。VMGFET具有高灵敏度，而其移动范围受到小的气隙厚度的限制。它们的测量线性随着栅极垂直变形的增加而恶化。在生物医学测量期间，例如在生物细胞微注射[19，20]中的膜渗透期间，当力幅度急剧增加并可能超过VMGFET器件的测量范围时，通常会发生意外的快速增加的负载。在LMGFET中，栅极沿着沟道宽度横向移动，并且气隙保持恒定。LMGFET的测量范围大于VMGFET的测量范围，并且它们的输出电流在测量范围内线性变化。因此，在生物医学测量中，高灵敏度LMGFET力传感器比VMGFET更通用。研究人员在这两种类型的基础上开发了几种MGFET器件，例如基 于 VMGFET 的 加 速 度 计 [21 ， 22] 、 差 分 放 大 器 [23] 和 基 于LMGFET的位移传感器[24]。现有的研究发现，可以通过缩小晶体管尺寸来提高测量灵敏度然而，广泛采用的长通道模型在参考文献。[21-在我们以前的工作中，我们提出了一个精确的小规模VMGFET器件的电气模型[25]。然而，LMGFET器件的可移动栅极LMGFET器件的操作行为比VMGFET器件的操作行为相对更复杂，使得先前的VMGFET模型不再适用于LMGFET设计。因此，一个新的精确的电学模型对于小型LMGFET器件的性能评估是必不可少的此外，MGFET的输出电流随着其栅极的横向和垂直移动而变化，并且来自非操作方向的负载会对输出信号产生相当大的干扰。通常采用差分感测配置来衰减MGFET器件中的交叉轴耦合效应[23，25]。然而，这种方法对LMGFET无效，因为当栅极垂直移动时，输出电流会发生显著变化的可移动结构由刚性材料制成，例如硅[21] 和镍[22，24]，具有大的刚度，使得可移动结构几乎不会变形。提高测量灵敏度的一个可行方法是用其他柔性替代品代替这些刚性材料。然而，这对于LMGFET器件是困难的，因为它们需要高纵横比结构，并且之前没有进行过这样的尝试。本文的主要贡献如下。首先，提出了一种基于分离沟道的电学模型来描述小型LMGFET器件的工作行为，并证明了其改进的精度和性能评估能力。其次，充分分析了LMGFET器件的电气和结构参数第三，提出了一种用于LMGFET微力传感器的柔性夹层结构，它由一个金十字轴去耦门阵列层和两个软光敏SU-8层组成。该传感器采用了一种新颖的双差分解耦传感配置，具有出色的传感灵敏度和抗干扰能力。最后，提出的LMGFET力传感器进行了模拟与可行的制造工艺。该传感器突破了MGFET器件的传感精度和测量范围之间的限制。对大尺寸样品的测量灵敏度为4.65lA·nN-1测量范围为±5.10lN，非线性小于0.78%。本文的其余部分组织如下：第2节建模和分析的LMGFET的电气行为第3插图，说明拟议的LMGFET力传感器，并介绍了机械模型和传感配置。 第4节介绍一个切实可行的制造过程中提出的传感器。然后通过仿真和实验结果验证了理论模型，并讨论了传感器的性能。第五节是结论。2. LMGFET的电学建模当LMGFET的栅极横向移动时，沟道宽度改变，使得LMGFET可以被分成两个分离的部分，即，具有宽度Wchc的覆盖沟道区域和具有宽度Wchu的未覆盖沟道区域（Wchu=Wch-Wchc）（其中Wch是整个沟道宽度）。这两个部分共享一些共同的参数，如沟道长度Lch，栅极和源极之间的电压差Vgs，以及漏极和源极之间的电压差Vds。由于不同横向位置的栅调制效应不同，各沟道区的电子电导也有很大差异。整个沟道具有几个独立的电学参数，如栅电容C0ef、载流子迁移率U0ef和沟道电流Ids. 因此，一项关于电力的调查每个部分中的参数是必要的，以便了解LMGFET的工作原理在本节中进行了这样的调查。2.1. 有效栅极电容当栅极横向移动时，栅极与覆盖和未覆盖的沟道区域之间的电容发生变化。栅极电容是描述单位面积上的电容的参数。更具体地，覆盖沟道区域C0effc中的有效栅极电容是气隙的串联电容，栅极绝缘体，其可以表示如下：横向载荷的输出变化可能被垂直载荷所了c0e0级e0级干扰，产生不希望的测量误差。因此，需要一种新的解耦可动结构和传感配置来提高传感精度。测量有效0T保险埃因苏Z空气¼Z0effcð1ÞMGFET器件的灵敏度可以通过降低可移动结构的刚度来进一步提高。在现有的MGFET器件中，其中e0= 8.854× 10- 14F·cm-1是空气的介电常数，einsu为绝缘体的介电常数;Z空气是气隙厚度;T绝缘体W. Gao，Z. 乔，X. Han等人工程21（2023）6163nnX64addd@j012GGG effc0GGBQ2我Q2我vu0qj2eu-Vj12-Xjqj2esiuB-Vbsj-Lch是绝缘体厚度ss;Z0effc是覆盖区域内的有效栅极间隙厚度之前的一项研究假设，未覆盖沟道区中的有源栅电容C0eFu在浇口移动期间是恒定的[24];然而，该假设与实际情况不符，并且可能在器件性能估计中导致许多伪影。在这项研究中，我们提出了一个accu-基于栅极侧壁和底线的边缘寄生效应的C0effu的速率变量表达式[26，27]：保持不变，但未覆盖区域的大小在浇口移动期间发生变化。 C0e ffu与覆盖区域Wch c中的宽度呈现反比关系。当Wchc较低时，C0efu因为W_chu的变化是微不足道的，所以增加缓慢怎么--当Wchc接近整个沟道宽度时，未覆盖区的大小发生很大变化，导致C0efu迅速增加. 随着气隙Z空气的减小，散射电势增加，然后消除这种现象。的计算c0efu与模拟结果也有很好的吻合2e02Z0T0鲁鲁最大相对误差小于3.5%。Ceffu？pWchulne0级¼Z0efuZ0effc0pWchu-qTg2TgZ0effc15000WchuLchlnZ0effcð2Þ2.2. 阈值电压阈值电压是调制源极和漏极之间的电流沟道的关键开关参数。沟道电流仅在栅极电压大于用于累积型MGFET的阈值电压 用于其中T01/4Te@bZ0effcA是有效门耗尽型器件，其中沟道电流最初在感应的情况下，接近阈值的栅极电压可以断开侧壁寄生电容的厚度;Tg是栅极厚度-ness;k和b是拟合参数;Z0efu是未覆盖区域中的有效栅极两个分离区域的有效栅极电容为在不同的横向和高度位置进行检查，并与有限元法（FEM）软件的模拟结果进行离开传导通道。有盖和无盖渠道区域具有不同的阈值电压，因此它们在横向和垂直栅极移动期间可以具有不同的沟道状态。考虑到短沟道效应和窄沟道效应，分别对这两个区域的阈值电压进行建模，如下所示：Ansoft Maxwell。在此计算中，整个通道宽度V¼u卡努FZ0effcpj2qNa=desiuB-bsjnQ0efZ0effcWch为20l m;气隙厚度Zair为0.1至0.5l m;厚度Tg为0.2μ m;栅极绝缘体为氮化硅，其厚度Tinsu为100 nm;沟道长度Lch为5μ m。期间THCMS BSe0FNce03门运动时，大部分电势都集中在覆盖区域，并且由于边缘寄生效应，少量散射在边界边缘上。有效栅极电容V星期四uMS uB FSZeffupj2qNa=desiubsjnQ0effZ0effue0级ð4Þ在覆盖的信道区域C0effc中几乎保持不变，FNu宽度.当覆盖区域宽度W_chc接近零时，scat =其中，u_MS是栅极与栅极之间的功函数差，teredpotentialproportion增加，C0effc经历了一个小的增加，如图2中的点所示。相对误差chann el;u是chann el内置电压，即kBTln。Na模型与仿真结果之间的C0effc小于3.0%的小Wchc的1升米，在三个不同的空气间隙。的值和-kBTln。N沟道器件和 P沟道器件的N沟道未覆盖沟道区的有效栅电容C0efu比C0efc小 一 个 数 量 级. 未覆盖区的栅电容主要是由散射电势引起的在栅极侧壁和底部线中。总电势Na/d分别是P型衬底中电离的受主和N型衬底中电离的施主的净浓度;q= 1.6× 10- 19 C是电子或空穴电荷的大小，ni是硅的本征掺杂浓度，kB是玻尔兹曼常数，T是热力学温度;esi是硅的介电常数;Vbs是源极和衬底电极之间的电压差;Q0eff是沟道的有效电荷密度2qj2esiuB-Vbsj0qj2eu-Vj132siBBSFS¼1-qNaXJLchqNaXJA75ut1B@siBBSqNaCAqNaaXj500图二、有效栅极电容C0effc和C0effu与其中Xj是源极或漏极电极中的PAN结的深度;并且a、d0、d1和d2是模型参数。FNc和FNu分别是覆盖和未覆盖信道区域中的信道宽度系数，并且表示如下：dpesiZ0effc不同气隙下的沟道宽度线表示计算的电容，而散射是模拟结果。FNc¼4Wchce0ð6Þ4e0级0effcch×W. Gao，Z. 乔，X. Han等人工程21（2023）6164×·×× ×·×F努dpesiZ0efu1/4Wchue 0ð7Þ表1不同电参数下覆盖/未覆盖沟道区的阈值电压。其中d是沟道宽度模型因子。FS项之前的正号是针对N沟道器件，而负号是针对P沟道器件。Q0eff项前的符号与FS项前的符号相反，FS项与F S项之差Q0eff项可以主要确定阈值的值电压. 例如，大的Q0eff对于具有P型衬底的耗尽型MGFET器件，该项可以导致负阈值电压（图1A）。 3）。虽然沟道长度系数FS保持不变，但沟道宽度系数在横向和垂直栅极移动过程中发生变化，特别是对于未覆盖的沟道区域，其有效栅极间隙Z0efu在不同位置处变化显著。因此，阈值电压将呈现不同的特性。在两个渠道领域的技术合作，需要综合分析。首先研究了沟道的有效电荷密度Q0eff和衬底浓度Na/d。一种P型衬底器件，以一种新型的半导体器件为例，其参数为：沟道宽度Wch= 20lm，气隙 Zair= 0.25lm ， 沟 道 长 度 Lch= 5lm ，一=0.04,d0=0.0631353，d1=0.8013292，d2=0.01110777，功函数电压差μMS= 3.83 V，以及衬底和源电极之间的电压差Vbs= 0 V。其余参数与第2.1中给出的参数相同。从表1中的Case_1到Case_4研究了底物受体浓度Na的影响，其中Na从5×1014增加到5×1015cm-3，而Q0eff为保持在2.5的低位10-8 C cm-2。对于Case_1中的小Na，表现为耗尽型晶体管，并且沟道最初是导电的，因为它们的能带已经被沟道表面中的主导电子弯曲为了断开导电通道，需要负阈值电压来吸引衬底中的空穴然而，当Na增加到1.0 × 1015 cm-3时，Vthc变为正而Vthu保持负;在情况2中，覆盖部分变为积累型晶体管，而未覆盖部分保持耗尽型。因为它的能带平坦ab覆盖区域中的沟道直到形成反型层才导电，其中空穴在由正阈值电压Vthc产生的电势力下聚集在沟道表面中。这种情况似乎是器件设计所希望的，因为可以消除具有非线性有效栅极电容的未覆盖部分然而，它导致器件性能差，因为只有被覆盖的部分对输出电流有贡献。在LMGFET操作期间，随着Wchc的增加，Vthc适度地减小并且Vthu急剧地增加，这表明Vthu更容易受到沟道宽度调制的影响。更具体地，在情况_3中，Vthu从 13μ m的Wchc处的-0.817 V变化到 14μ m的Wchc处的0.074 V。这种情况会使未覆盖区域在工作期间从耗尽型变为积累型，应该避免。当Na增加到5 ×1015 cm-3，在Cas 4中，两个区域均为堆积型。然后从Case_5到Case_8研究沟道的有效电荷密度Q 0 e f f的影响110- 8比310-7 C cm-2。在这些情况下，Na保持在5 1015cm-3，这是使用商业硅通常可获得的值华夫饼。对于1×10-8C·cm-2的低Q0eff，在Case_5中，覆盖部分表现为积累型晶体管，而未覆盖部分表现为积累型晶体管。部分为耗尽型。孔成为主导，因为Q0eff图三.阈值电压Vthc和Vthu与不同宽度位置处的电参数之间的关系。(a)衬底中电离受体的净浓度Na;（b）有效沟道电荷密度Q0e ff。 符号线表示被覆盖的沟道区域Vthc中的阈值电压，虚线表示被覆盖的沟道区域Vthu中的阈值电压。Case_1~情况Na（cm-3）Q0eff（C·cm-2）Vthc（V）aVthu（V）b15 ×10142.5 ×10-8--21 ×10152.5 ×10-8+-343 ×10155 ×10152.5 ×10-82.5 ×10-8++-/++56781 ×10151 ×10151 ×10151 ×10151.0 ×10-85.0 ×10-81.0 ×10-73.0 ×10-7+-------W. Gao，Z. 乔，X. Han等人工程21（2023）6165×·1天01天0ð.¼DSCLche0gs-2DSds电子邮件Vdsatu1名女性Sp增加到5 ×10 - 8 C cm-2以上，使这两个区域都能起到耗尽型晶体管的作用。阈值电压V和阈值电压V其中FBc/u=F2qNe4pjuB-VbsjNc= u是电压调制系数。日几何参数Lch和Zair如图4所示，其中Na和Q0eff分别设定为1×1014cm-3和2.5×10-7C·cm-2。Vthc与气隙Z空气有很强的负相关性在有盖和无盖区域，l0effc和l0effu是分别在覆盖和未覆盖区域中的有效载流子迁移率，其可以表示如下：L随着有效栅极高度Z0efc的增加。然而，Vthc很少改变不同的沟道长度Lch。随着沟道长度Lch的增加，Vthu缓慢增加，但显著降低l0effc¼Z0effc0LVgs-VthcVmaxLchVDSð10Þ由于与Vthc相同的原因，空气间隙Zair增大。L因此，通过适当分配电气和几何参数，可以实现所需的工作类型。非零栅极电压在半导体中感应导电沟道l0efu¼Z0effu0LVgs-VthuVDSð11Þ积累型器件可能会在可移动栅极和衬底之间产生静电力，导致操作期间不希望的垂直干扰[28]。的通道其中l0是在低电场下载流子的表面迁移率; d是垂直势场因子;以及Vmax是载流子的饱和速度。有效载流子迁移率主要受调节耗尽型器件导通，尽管电位不同，力为零。 因此，消除了静电力。 换句由术语DVGSZ0effu=c— Vthu= c垂直方向上，换言之，对于LMGFET器件强烈期望耗尽型。因此，以下设计分析基于以下规范：潜在的降解作用， l0 VVmaxL chDS，其中LMGFET在0V的固定栅极电压下不受静电力的影响。2.3. 输出通道电流两个沟道区域中的表面电流密度彼此不同。因此，应单独计算每个区域中漏极和源极之间的电流，输出电流应该是它们的总和。通过整合的密度描述了速度限制和横向电位降低效应[30]。当栅极移动到不同的沟道宽度和高度时，L0eFFC和L0eFFU改变IDS接近饱和电流Idsat的值时，VDS增加到饱和状态。正如我们之前的工作[25]中所讨论的，小规模器件的饱和电压是由饱和速度引起的。覆盖区域中的饱和电压Vdsatc和未覆盖沟道区域中的饱和电压Vdsatu表示如下：两个电极之间的沟道表面载流子[29]，Vgs-VthcVmaxLchs。ffiffi ffiVffiffi ffigffi ffisffiffi—ffiffiffiffi ffiVffiffi ffitffihffi fficffi ffiΣffiffi ffi2ffiffiffiffiffiffiffi ffi.ffiffiffiVffiffiffimffiffiffiaffiffixffiffiLffifficffiffihffiffiΣffiffiffi2ffiffi在覆盖区域Idsc中输入电流，未覆盖区域IDSU定义如下：Vdsat1μFBc2010年10月10日--一种1μFBc2010年10月10日ð12Þ我会把你的名字写下来.V V1μFBcVμV8Vgs-VthuBVmaxLchl0effus。ffiffi ffiVffiffi ffigffi ffisffi ffi—ffiffiffiffi ffiVffiffi ffitffihffi ffiuffi ffiΣffiffiffi ffi2ffiffiffiffiffiffi ffi.ffiffiffiVffiffiffiffimffiffiffiaffixffiffiLffiffifficffihffiffiΣffiffiffiffi2ffiffi1名女性步l0effIDSUWchul0e ffuZ0e ffuVLche0gs — Vthu1μFBuV2dsVdsð9Þ其中Idsat是LMGFET器件的最大可控输出，直接受施加在漏电极上的阈值电压影响。图5示出了两个区域中的阈值电压与电参数之间的关系（具有受主浓度Na和有效沟道电荷密度Q0eff），几何参数（具有气隙Z空气和通道长度Lch）。除了上次计算中的类似参数外，衬底和源极之间的电压差Vgs为0 V，载 流 子 表 面 迁 移 率 l0 为 700 cm 2·V-1·s-1[31] ， 饱 和 速 度 Vmax 为 8×106cm·s-1[32]。这两个区域的饱和电压随Na和Q0ef的增大而减小，也随相应变化的减小而减小。通道宽度（Wchc/Wchu）。 更具体地说，由于小的宽度，随着Na和Q0ef的增加，图中的绿色线条。 5（a）对应于表1中的情况_2。覆盖的沟道区域当前被断开，因此覆盖区域中的饱和电压为0。几何参数表现出相反的影响的电气。 Vdsatc随Lch和Zair的增加，如图5（b）所示。Vdsatu随着Lch的增加而增加，并且对气隙Zair的变化不敏感。对于10l m的沟道宽度Wchu，当Zair从0.1变化到0.5l m时，Vdsatu采用饱和电压为栅极横向移动时的最低值 如果施加的电压超过每个区域中的饱和值，则假定电流Ids是恒定的。由于阈值的绝对值较大，较大的Q0eff或较低的Na会导致旧电压Vthc和Vthu。饱和电流约见图4。在不同宽度位置上阈值电压Vth与几何参数Lch和Zair在这种情况下，只有未覆盖的通道工作时为零，如图1的绿线所示。第6（a）段。变形敏感性-四氢大麻酚þ-þð13ÞW. Gao，Z. 乔，X. Han等人工程21（2023）6166·图五.不同宽度位置处的饱和电压Vdsc和Vdsu(a)衬底掺杂浓度Na与有效沟道电荷密度Q0e ff;（b）沟道长度Lch和空气间隙Zair。（a）Lch为5lm，Zair为0.2 5lm;（b）Q0eff为2.5×10-8C·cm-2，Na为1× 1015 cm-3S被定义为沟道电流曲线的斜率，并且可以用于评估当栅极横向移动时器件的电性能。灵敏度S随着沟道长度Lch的增加而提高。对于0.25l m的气 隙 Z 空 气 ，当 Lch 从 10 减 小 到 2lm 时 ， S 从 13.144 增 加 到17.140lA·lm-1然而，应该考虑器件的操作稳定性，因为小的器件尺寸可能导致漏极和源极之间的大的电势场，并且可能容易击穿器件。气隙Zair对沟道电流Ids和灵敏度S具有非常大的影响。对于沟道宽度Wch为10μm，沟道长度为5μ m的器件，当Z空气从0.5 μ m减小到0.1μm时，沟道电流Ids从1509.744 μ A增加到1796.400μ A然而，在这段时间内，S从34.634 lA lm-1下降到8.314 lA lm-1，如图所示。6（b）.这种情况表明，由不希望的垂直运动产生的输出可以是由横向运动产生的电流变化的几倍。因此，需要解耦设计来消除垂直运动的干扰，如下一节所述。3. 传感器设计和互连配置所提出的传感器利用环氧型聚合物光致抗蚀剂SU-8作为结构材料，其是制造LMGFET器件的理想材料，原因如下：首先，SU-8具有4-5GPa的相对低的弹性模量其次，SU-8是一种负性厚膜光致抗蚀剂，可用于制造具有高纵横比的结构[35]。这些特征使得SU-8适合用作横向可移动结构的结构材料。三是便于统一缴存通过UV曝光终止，并在丙二醇甲醚乙酸酯溶液中显影，这比蚀刻材料（例如金属和硅）的可操作性好得多。在这项研究中，提出了一种基于SU-8的LMGFET力传感器，具有可移动的夹层结构，如下所述。3.1. 活动结构设计如图7（a）所示，可移动结构和衬底是器件中的两个主要可移动的结构包含一个探头和一个由直梁支撑的中心质量。图7（b）示出了夹层栅极结构，其中金栅电极层被两个光阻SU-8层完全覆盖在大多数实验室中，金是一种常见的金属材料，已被证明对SU-8具有优异的粘附力[37]。为了减小有效栅隙和有效电容，下SU-8结构层的厚度应该很小。两个系列的金门阵列S1和S2设置在中心块中，偏离距离D。在每个系列中，两个门阵列关于侧线Line_1和Line_2对称地布置两个系列中的栅极具有相同的宽度Wg和长度Lg。对应的漏极、源极和栅极绝缘层位于栅极阵列下方。沟道区具有宽度Wch和长度Lch，并且位于漏极和源极电极之间在初始状态下，栅极覆盖沟道宽度的一半，如图1所示。 7（c）.当在探针处施加横向力FY时，梁参与弯曲变形。中心块中的门阵列横向移动并改变沟道区的宽度，其表示如下：F L3使用旋涂机或喷涂机将SU-8涂覆在基材上，即使是未平整的表面[36]。最后，SU-8可以很容易地被拍到-WFY黄蓝48EIYð14Þ¼W. Gao，Z. 乔，X. Han等人工程21（2023）61673BEIZ见图6。不同宽度位置处饱和沟道电流Idsc和Idsu(a)衬底中电离受体的净浓度Na与有效沟道电荷密度Q0e ff;（b）沟道长度Lch和空气间隙Zair。（a）的Lch为5lm，Zair为0.2 5lm;（b）的Q0eff为2.5×1 0-8C·cm-2，Na为1×1 015cm-3。见图7。推荐的LMGFET力传感器示意图。(a)可移动结构设计;（b）包含金栅极阵列层和两个光阻SU-8层的可移动夹层结构;（c）可移动栅极阵列的布置和尺寸。所有3D模型中的坐标轴方向都是基于Z轴的正方向是从上部可移动结构到基板，Y轴的正方向是从传感器探头到可移动结构的端部，X轴的正方向是从传感器的左侧到右侧的原理S1、S2：两个系列的金栅阵列; Line_1、Line_2：横向线;Wg：栅宽;Lg：栅长;Doff：偏移距离。其中WFY为FY下沿Y轴的构造变形;E为WbTMX L324EIZLm-Lbð16Þ结构材料的杨氏梁垂直截面的惯性;Lb、Wb和Tb分别为支承梁的长度、宽度和厚度当一个其中Z=TbW312b是梁水平sec的惯性矩施加竖向力FZ时，结构承受竖向力应用在质量中心F 0Z和一力诱导的一刻第在此基础上，距离Doff的直线存在于远离质心线的位置，并且垂直位移为零。这条线是MX¼F ZLp1<$2Lm<$（其中Lp为探针长度，Lm为中心表示如下：质量长度），这涉及垂直平移ZF和旋转DLm-Lb17围绕X轴的质量hX，如图所示。 8.他们的表情是FZ L3关闭¼2LpLmZF¼48bð15Þ力FZ引起的闸门系列的垂直位移表示如下：h¼XW. Gao，Z. 乔，X. Han等人工程21（2023）6168B.Σ×-YZ见图8。可移动结构在垂直力作用下的平移和旋转运动。ZF，hX：分别为质量的垂直平移和绕X轴的旋转。变形比R为1964，表明在该结构中低的交叉轴耦合效应。3.2. 感测配置虽然所提出的结构很少经历交叉轴变形，不希望的垂直变形将不可避免地带来对沟道电流的干扰。除了解耦可移动结构设计之外，还需要传感配置来消除交叉轴输出耦合。通常采用差动传感配置来补偿来自非操作方向的负载和外部干扰，例如温度和湿度。然而，这种方法是不适合LMGFET感测，因为垂直运动的门阵列不同，根据他们的位置。在本研究中，提出一种新颖的双差动感测结构，其中下方的通道区不与闸阵列对齐，而是与闸阵列分开。FZ L3MX L3关于线_1和线_2的中心反对称地分配ZF 248D 24 EI LBLð18Þ如图 10个。每个晶体管系列被分成四个ZEIZzm-b阵列：S1LU、 S1LD、S1RU和S1RD用于系列S1，而S2LU，其中±D是门阵列和质量块之间的中心线的偏移距离，D之前的负号表示S2中的上部门阵列，而加号表示S2中的下部门阵列。横向力和竖向力之间的变形比可写为：1S2LD、S2RU和S2RD用于S2系列S1和S2的互连结构如图1A和1B所示。11（a）和（b）分别。S2用于横向力检测，S1用于垂直力检测。本文主要研究侧向力检测。因此，下面的描述是用系列S2进行的。IdsL是两个左晶体管串联S2LU和S2LD的电流之和，IdsRr¼T2B2 L LpMð19Þ是两个右晶体管串联S2RU、S2RD的电流之和。21D Lm-Lb Þ这些表达式可以写成：I dsL ¼I ds1. WchcWF;Z airZF对于厚度TY Z大20ÞB宽度Wb。Line_ 2应设置在此Doff位置，我的ds2。WchcWFY;Zair-ZFZ栅极系列S2应该靠近线_2，以便减小不期望的垂直运动。直梁不能压制IdsR¼Ids3. WchcWF;ZairZF或伸展。因此，该结构很少沿X轴力FX变形。因此，所提出的可移动结构将仅对沿Y轴的力敏感，并且将不受来自其它方向的干扰。利用ANSYS 15.0对该结构进行了数值模拟，研究了其变形性能.设计结构的材料和几何参数见表2。几何形状仅用SU-8结构层建模，并且忽略薄在模拟中，SU-8光刻胶的杨氏每个梁的端部是固定的，并且沿Y-/Z-轴向探针尖端的侧壁施加1 nN的力 图图9示出了栅极系列S2在这种力下的变形。当施加1nN的横向力时，相应的形变量为1.961nm，与理论值1.964nm一致与Y轴力下的横向移动相比，由Z轴力引起的横向移动是可接受的，因为其值约为0.00087nm。零垂直变形位置Doff距质心约673l m。栅极系列S1的垂直变形约为0.001nm。的表2设计结构的材料和几何参数Ds4 WchcWFY;Zair-ZFZ其中Ids1、Ids2、Ids3和Ids4分别是晶体管系列S2LU、S2LD、S2RU、S2RD大多数垂直干扰抵消方程。（20）和（21）。最终的传感器输出可以用两个电路分支之间的电势差来测量，Vout= R（IdsLIdsR）（其中R是读出电路中连接的电阻器）。所提出的双差分配置的感测性能如图12所示，并与正常差分方法进行比较，其中沟道区域与门阵列对齐。两种方法的初始输出与垂直位移下的输出之间的差异具有相对误差，如图1和图2所示。 12（a）和（b）。对于1 nN的力加载在传感器探头，三明治结构移动1.961 nm横向，但0.001 nm的垂直。因此，垂直位移被设置为从0.001至3.000nm，以便研究在1 nN至31N的垂直力范围下的感测性能对于小于0.03nm的小垂直位移，两种方法的相对误差由于C0efu的快速增加，基本沟道电流增加，直到Wchc达到7.5lm。的垂直位移为3nm时，法向微分法在Vdsc处的相对误差为4.53%，方法小于0.01%。当Wchc达到10l m时，参数值SU-8光刻胶的杨氏仅由覆盖区域引起的误差表现出下降，C0effu消失了。Vdsu的变化率高于Vdsc，因为SU-8光刻胶的泊松下SU-8结构层厚度0.5l mC0effu 比C0effc更易受气隙大小影响相对误差SU-8结构上层厚度49.5l m气隙Z空气0.1l m中心质量长度Lm2000l m中心质量宽度Wm1700l m闸门长度Lg20lm在Vdsu时的温度比在V dsc时的温度高，如图所示。 12（b）. 当垂直位移为0.03和3.00 nm时，垂直微分法在Vdsu处的相对误差分别增加到2.24%和4.76%，而所提出的位形的最大相对误差仍为0.43%。考虑W21ÞBW. Gao，Z. 乔，X. Han等人工程21（2023）6169见图9。可移动结构在1 nN力下的变形。(a)栅极系列S1在沿Y轴的力下的变形;（b）栅极系列S1在沿Z轴的力下的变形。见图10。所提出的双差分感测配置。S1LU、 S1LD、S1RU和S1RD是S1的晶体管系列; S2LU、S2LD、S2RU和S2RD是S2的晶体管系列。由于可移动结构的变形行为，栅极系列S1的3nm垂直变形需要31N的垂直力。栅极系列不能在3nm处变形，因为质量端面可能在低于该值的垂直力下接触衬底。因此，交叉轴耦合效应被彻底消除在建议的双差分传感配置。4. 模型验证和传感器性能4.1. 制造工艺本文提出了一种简单而实用的LMGFET器件的制作方法. 13岁沉积光致抗蚀剂层通过另一个图案化的光阻层，限定沟道区域，然后用磷离子掺杂，但是使用不同的注入剂量，图十一岁建议的双差分配置示意图（a）栅极系列S1的互连;（b）栅极系列S2的互连D：公共漏电极; S：公共源电极;VDD：施加在公共漏电极上的电压;Vss：施加在公共源电极上的电压;Vg：施加在公共栅电极上的电压。R：电阻器;IdsU：两个左晶体管系列S2LU和S2RU的电流之和;IdsD：两个左晶体管系列S2LD和S2RD的电流之和;IdsL：两个左晶体管系列S2LU和S2LD的电流之和;IdsR：两个右晶体管系列S2RU、S2RD的电流之和;Ids 1W. Gao，Z. 乔，X. Han等人工程21（2023）6170见图12。不同饱和电压下所提出的双差分配置的感测性能。(a)饱和漏极电压下的沟道电流Vdsc;（b）饱和漏极电压下的沟道电流Vdsu。直线表示在0 nm垂直位移下的输出电流，散射表示在不同垂直位移下的输出，并且具有散射的虚线表示两种感测配置的相对输出误差能量注入的离子通过快速热退火被激活沉积由氮化硅制成的栅极绝缘层，然后图案化以暴露用于源极/漏极互连的随后，沉积并图案化二氧化硅的牺牲层薄的SU-8结构层被旋转、曝光和显影以充当夹层结构的下层。然后沉积并图案化金层以充当漏极和源极电极的栅极衬底金属焊盘通过沉积在芯片底侧上的另一个金层形成另一个厚SU-8层被旋涂以密封门阵列，并被图案化用于上夹层结构层。用深反应离子蚀刻图案化衬底以暴露探针区域。最后，对牺牲硅表3制造模拟参数。参数值硅衬底受主浓度Na1× 1015 cm-3Thickness of insulator氮化硅Tinsu100 nmThickness of gold gateTg 0.2l m有效二氧化硅厚度Tinsu1l m通道长度Lch5l m通道宽度Wch20l m源极/漏极注入深度Xj0.5l m通道植入深度0.15的模型为单个晶体管，以简化计算的复杂性，空气间隙和下SU-8结构层，二氧化层导通，释放活动夹层结构使用FEM软件Sentaurus 13.0模拟制造过程;所采用的参数如表3所示用有效的二氧化硅层T0SiO2代替以下表达式：T0¼eSiO2Z空气净化器SiO2T低SU-8通过使用ð22Þ模拟的LMGFET单元如图1所示。 14（a）. 设备SiO2e0SU-8图十三. 拟定制造工艺流程图。W. Gao，Z. 乔，X. Han等人工程21（2023）6171×见图14。模拟拟定的制造工艺。(a)模拟中的3D LMGFET单元。(b)模拟器件中的注入浓度;（upleft）提取的注入离子分布沿沟道区域中的虚线。 x0eff：有效注入深度。其中Tlow_SU-8和eSU-8是下SU-8层的厚度和介电常数，eSiO2 是二氧化硅的介电常数。沟道区域中的峰值注入离子浓度为11017 cm-2，这在我们以前的工作[25]中讨论的浴制造过程中是可以实现的。通过设置0.150 ~ 0.300μ m的不同离子注入深度，研究了沟道杂质分布对沟道电流的影响规律。图14（b）示出了根据本发明的实施例的图14的横截面视图。激活的注入磷分布在0.275μ m的掺杂深度处。插图示出了图14（a）中的器件的沟道区中的活性磷的提取的浓度分布。矩形近似被建模以描述浓度分布，如虚线所示图 14（b）. 有效沟道电荷密度Q0eff被设置为峰值磷密度和有效掺杂深度的乘积。表4列出了不同注入深度下的推导电气参数。4.2. 电气模型验证四个不同的电极设置在栅极，源极，漏极和衬底区域，并建模为红色网格，以研究的电容输出行为，如图14（a）所示。因为所制造的晶体管是耗尽型器件，所以将0电压施加到栅极、源极和