[實用新型]一種定量測試力電性能與顯微結(jié)構(gòu)的傳感器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200920269907.2
• 申請日: 2009-10-30
• 公開（公告）號: CN201522985U
• 公開（公告）日: 2010-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韓曉東;劉攀;岳永海;張澤
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01J37/02
• 分類號: H01J37/02;H01J37/26;G01N13/00;G01L1/22;H01J9/00;B81B7/02;B81C1/00;B81C99/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術(shù)領(lǐng)域：

本實用新型涉及一種定量測試低維納米材料原位力電性能與顯微結(jié)構(gòu)測量的傳感器，更具體的是一種應(yīng)力作用下原位動態(tài)的低維納米材料顯微結(jié)構(gòu)-力電性能相關(guān)性定量化測量的傳感器。

背景技術(shù)：

低維納米材料作為器件的基本結(jié)構(gòu)單元，承載著信息傳輸，存儲等重要功能。在半導(dǎo)體及信息工業(yè)中應(yīng)用到的低維納米材料，在應(yīng)力場的作用下，研究低維納米材料的顯微結(jié)構(gòu)變化，以及顯微結(jié)構(gòu)變化之后，對器件單元內(nèi)低維納米材料力學(xué)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(yīng)用具有非常重要的意義。

在納米科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)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(tài)地觀測樣品，只能得到低維納米材料顯微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方面的信息，難以做到在應(yīng)力作用下對低維納米材料顯微結(jié)構(gòu)與力電性能相關(guān)性進行原位地綜合測量。

近年來，懸臂梁技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于生物、物理、化學(xué)、材料、微電子等研究領(lǐng)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(fù)雜的光學(xué)測量系統(tǒng)，很難將傳感器集成到透射電鏡中用于顯微結(jié)構(gòu)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(fā)的很少，至于對低維納米材料顯微結(jié)構(gòu)與力電性能相關(guān)性的研究更是稀少。

實用新型內(nèi)容：

針對現(xiàn)有技術(shù)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(yīng)力作用下原位測量低維納米材料顯微結(jié)構(gòu)與力電性能相關(guān)性的傳感器及其制作方法。本實用新型能實時記錄下低維納米材料顯微結(jié)構(gòu)原子尺度的變化過程，同時能測量得到低維納米材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線和對應(yīng)的電流電壓曲線。

定量測試力電性能與顯微結(jié)構(gòu)的傳感器，其特征在于：一個中空的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)自下而上由阻擋層、硅襯底、外延層α和絕緣層組成；該結(jié)構(gòu)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(chǔ)部分；

中間部分繼續(xù)被刻蝕穿形成壓敏電阻懸臂梁和懸空結(jié)構(gòu)；傳感器的基礎(chǔ)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(nèi)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(jié)構(gòu)的上表面處于同一水平面上；

所述的懸空結(jié)構(gòu)，位于兩個壓敏電阻懸臂梁之間，懸空結(jié)構(gòu)與其中一個壓敏電阻懸臂梁不接觸，懸空結(jié)構(gòu)的一條邊與這個懸臂梁的邊緣平行，且懸空結(jié)構(gòu)的這條邊上有一個突出來的部分，突出部分與雙金屬片不接觸；懸空結(jié)構(gòu)的另一條邊與另一個壓敏電阻懸臂梁接觸。懸空結(jié)構(gòu)通過兩側(cè)的支撐梁連接在基礎(chǔ)部分上。

所述的懸臂梁和基礎(chǔ)部分的上方有兩個惠斯通電橋電路；

所述的每個惠斯通電橋電路，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(chǔ)部分，作為阻值固定的電阻；另外兩個壓敏電阻位于懸臂梁上方，作為阻值可變的電阻。

當(dāng)施加電流在雙金屬片上的電阻時，電阻產(chǎn)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(shù)小的部分彎曲，驅(qū)動懸空結(jié)構(gòu)運動，懸空結(jié)構(gòu)運動時推動其中一個壓敏電阻懸臂梁產(chǎn)生彎曲變形，同時拉動低維納米材料產(chǎn)生拉伸變形，低維納米材料再帶動另一個壓敏電阻懸臂梁產(chǎn)生彎曲變形。位于壓敏電阻懸臂梁上方的壓敏電阻發(fā)生變形，產(chǎn)生電阻值的變化，通過惠斯通電橋電路轉(zhuǎn)化為輸出電信號大小的變化，再轉(zhuǎn)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(yīng)力大小的變化。再通過兩個壓敏電阻懸臂梁輸出電信號變化的差異，得到低維納米材料應(yīng)變量大小的變化，從而原位實時地獲得低維納米材料的應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)應(yīng)變量下的電流-電壓(I-V)曲線，即能實現(xiàn)定量化研究低維納米材料的力電性能及其與顯微結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。

同時，壓敏電阻懸臂梁和懸空結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)正到低指數(shù)帶軸下，原子尺度下原位測量在低維納米材料相應(yīng)應(yīng)變量下的顯微結(jié)構(gòu)演化，通過高分辨原位成像系統(tǒng)記錄整個變化過程。

本實用新型具有如下優(yōu)點：

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(jié)構(gòu)設(shè)計，可以在原子點陣分辨率下，原位地定量化測試應(yīng)力作用下低維納米材料的顯微結(jié)構(gòu)與力電性能的相關(guān)性。