[實用新型]一種透射電鏡用力電性能與顯微結構測量的傳感器

無效

• 申請號: 200920220390.8
• 申請日: 2009-10-30
• 公開（公告）號: CN201522458U
• 公開（公告）日: 2010-07-07
• 發明（設計）人: 韓曉東;劉攀;張澤
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N23/04
• 分類號: G01N23/04;G01L1/18;G01D5/16;B81B7/02;B81C1/00;B81C5/00;B81C3/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域：

本實用新型涉及一種低維納米材料原位力電性能與顯微結構測量的傳感器，更具體的是彎曲變形狀態下原位動態的低維納米材料的顯微結構-力電性能相關性測量的傳感器。

背景技術：

低維納米材料作為器件的基本結構單元，承載著信息傳輸，存儲等重要功能。在半導體及信息工業中應用到的低維納米材料，在應力場的作用下，研究低維納米材料的顯微結構變化，以及顯微結構變化之后，對器件單元內低維納米材料力學性能和電荷輸運性能等的影響，這對器件中各個單元的功能、效率、存儲密度等實際應用具有非常重要的意義。

在納米科學和技術領域透射電子顯微鏡是最為有力的研究工具之一，透射電子顯微鏡的樣品桿是用來支撐被檢測樣品的。目前，對透射電鏡的利用局限于靜態地觀測樣品，只能得到低維納米材料顯微結構信息。

而在掃描電子顯微鏡中，雖然能原位地對低維納米材料進行變形和通電測量，但是由于分辨率等的限制，不能得到低維納米材料顯微結構方面的信息，難以做到在應力作用下對低維納米材料顯微結構與力電性能相關性進行原位地綜合測量。

近年來，懸臂梁技術被廣泛地應用于生物、物理、化學、材料、微電子等研究領域。這種在硅基材料上通過光刻、刻蝕等工藝制作出的懸臂梁傳感器，盡管可以達到非常高的靈敏度，而且信噪比非常低，但由于器件自身體積較大以及包含復雜的光學測量系統，很難將傳感器集成到透射電鏡中用于顯微結構的實時觀察。所以，用于透射電鏡中低維納米材料力電性能開發的很少，至于對低維納米材料顯微結構與力電性能相關性的研究更是稀少。

實用新型內容：

針對現有技術存在的問題，本實用新型的目的是提供一種在透射電子顯微鏡中應力作用下原位測量低維納米材料顯微結構與力電性能相關性的傳感器。本實用新型能實時記錄下低維納米材料顯微結構原子尺度的變化過程，同時能測量得到低維納米材料的應力應變曲線和對應的電流電壓曲線。

透射電鏡用力電性能與顯微結構測量的傳感器，其特征在于：一個中空的結構，該結構自下而上由阻擋層、硅襯底、外延層α和絕緣層組成；該結構中間部分的阻擋層和部分硅襯底被刻蝕，剩余的周邊部分包括阻擋層、硅襯底、外延層α和絕緣層四層，稱為基礎部分；

中間部分繼續被刻蝕穿形成壓敏電阻懸臂梁和懸空結構；傳感器的基礎部分上表面向下刻蝕出一個用于放置雙金屬片的凹槽，凹槽內放置雙金屬片后，雙金屬片的上表面與壓敏電阻懸臂梁和懸空結構的上表面處于同一水平面上；

所述的懸空結構，位于雙金屬片與壓敏電阻懸臂梁之間且互相不接觸；懸空結構的一條邊與雙金屬片的側邊平行，懸空結構另一條邊與壓敏電阻懸臂梁的邊緣平行，懸空結構通過兩側的支撐梁連接在基礎部分上；

所述的懸臂梁和基礎部分的上方有一個惠斯通電橋電路；

所述的惠斯通電橋電路，由四個完全相同的壓敏電阻組成，位于外延層α和絕緣層之間。其中兩個壓敏電阻位于基礎部分，作為固定電阻；另外兩個壓敏電阻位于懸臂梁上方，作為可變電阻。

當施加電流在雙金屬片上的電阻時，電阻產生熱量，熱量傳遞到雙金屬片上，雙金屬片受熱向熱膨脹系數小的部分彎曲，驅動懸空結構運動，懸空結構運動時推動低維納米材料產生壓縮變形，低維納米材料再推動壓敏電阻懸臂梁產生彎曲變形。位于壓敏電阻懸臂梁上方的壓敏電阻發生變形，產生電阻值的變化，通過惠斯通電橋電路轉化為輸出電信號大小的變化，再轉換成壓敏電阻懸臂梁受力大小的變化，即為低維納米材料所受應力大小的變化。再由透射電鏡圖片得到低維納米材料彎曲(壓縮)變形量的大小，從而原位實時地獲得低維納米材料的應力-應變(σ-ε)曲線。

由于低維納米材料的兩端由電極引出，同時測量低維納米材料上的電信號變化，則可以實時地獲得相應應變量下的電流-電壓(I-V)曲線，即能實現定量化研究低維納米材料的力電性能及其與顯微結構的相關性。

同時，壓敏電阻懸臂梁和懸空結構之間存在間隙，電子束能穿透低維納米材料成像，將低維納米材料的帶軸轉正到低指數帶軸下，原子尺度下原位測量在低維納米材料相應應變量下顯微結構的演化，通過高分辨原位成像系統記錄整個變化過程。

1、本實用新型對低維納米材料力電性能測試傳感器進行了獨特的結構設計，可以在原子點陣分辨率下，原位地定量化測試應力作用下低維納米材料的顯微結構與力電性能的相關性。

2、本實用新型提供了一種獨特的惠斯通電橋電路設計方案，可以將側向受力的信號轉化為輸出電信號的變化，完成低維納米材料的受力大小變化的實時輸出。