專利名稱：一種基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微/納機電系統(tǒng)和傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器。
背景技術(shù)：
利用微機電系統(tǒng)技術(shù)制作的力傳感器特別是加速度計和壓力傳感器，以其體積小、成本低、易于集成和批量生產(chǎn)等優(yōu)點，在軍事、汽車、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。通常的微機電力傳感器為橋式梁支撐質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)，其材料基本上也都是微加工常用的材料——硅及其化合物，其質(zhì)量塊尺寸為幾百個微米，橋式梁截面尺寸也在微米量級。諧振式微機電力傳感器是其中常用的一種工作方式，其工作原理是驅(qū)動橋式梁——質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的橋式梁在諧振點振動，有外力作用時，其諧振頻率將產(chǎn)生變化，從而通過諧振頻率的測量來達到測量外力的目的。橋式梁——質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)在諧振時振幅最大，采用包括壓阻式、電容式或者隧道效應(yīng)式等方法可以測得系統(tǒng)是否諧振并反饋給驅(qū)動電路，使得橋式梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)始終在諧振點振動。由于橋式梁的材料采用的是塊狀硅，在經(jīng)過微加工工藝成型后，受到材料缺陷和加工過程的影響，其材料物理性能并不理想。
近年來，一維納米功能材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能和其它特殊性能引起了廣泛關(guān)注，發(fā)展極其迅速。一維納米功能材料的特征尺寸在0.1nm-100nm，其在截面的兩維方向上為納米尺度，而其長度比上述兩維方向上的尺度大得多，甚至為宏觀量。由于尺寸小，使其具有了特殊的量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等。半導(dǎo)體氧化物納米帶是一種典型的一維納米功能材料(參考文獻[1]Zheng Wei Pan，Zu Rong Dai，Zhong Lin Wang，Nanobelts of Semiconducting Oxides，SCIENCE VOL.291，1947-1949，2001)。半導(dǎo)體氧化物納米帶是一種單晶、側(cè)面為特定晶面、結(jié)構(gòu)可控且無缺陷的半導(dǎo)體帶狀結(jié)構(gòu)，它的特殊及一致的形貌和晶體結(jié)構(gòu)使納米帶具有比一般納米材料更強甚至是不具備的機械、電學(xué)、光學(xué)等方面的性質(zhì)。同時納米帶的柔韌性極佳，在力作用下能夠有更大的形變。此外，半導(dǎo)體氧化物納米帶還具有良好的壓電特性(參見文獻[2]MH Zhao，ZL Wang，SX Mao，Piezoelectric Characterization of Individual Zinc Oxide Nanobelt Probed byPiezoresponse Force Microscope，Nano Letters Vol.4(4)，587-590，2004.)，并且已經(jīng)被應(yīng)用與場效應(yīng)管的研究中(參見文獻[3]Arnold MS，Avouris P，Pan ZW，et al.，F(xiàn)ield-effect transistors based on single semiconducting oxide nanobelts，JOURNAL OFPHYSICAL CHEMISTRY B 107(3)659-663，2003.)。
因此，就需要有一種能夠充分利用半導(dǎo)體氧化物納米帶上述優(yōu)異性能的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器。
本發(fā)明的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器包括橋式梁、質(zhì)量塊、基體和設(shè)置在基體上的多個電極，所述電極和基體之間具有一絕緣層，所述橋式梁的兩端固定在電極上，所述質(zhì)量塊懸空固定在橋式梁的中間；所述橋式梁為半導(dǎo)體氧化物納米帶；還包括一個用于測量所述橋式梁諧振頻率的諧振頻率檢測電路。
所述諧振頻率檢測電路包括一個驅(qū)動單元，用于驅(qū)動所述質(zhì)量塊帶動所述橋式梁以一驅(qū)動頻率進行振動；一個測定單元，用于測定所述橋式梁振動時其兩端的電流變化；一個連接在驅(qū)動單元和測定單元之間的反饋單元，用于將所述橋式梁兩端的電流變化反饋至驅(qū)動單元，并控制所述驅(qū)動單元的驅(qū)動頻率，使得所述質(zhì)量塊帶動所述橋式梁的振動處于諧振狀態(tài)。
所述基體、所述絕緣層和所述橋式梁構(gòu)成一場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，其中，所述基體作為場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的柵極，所述橋式梁兩端的電極分別作為場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的漏極和源極。所述驅(qū)動單元施加在場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的柵極和源極之間，所述測定單元施加在所述漏極和源極之間。
當所述半導(dǎo)體氧化物納米帶為具有壓電效應(yīng)的半導(dǎo)體氧化物納米帶時，所述諧振頻率檢測電路包括一個驅(qū)動單元，用于驅(qū)動所述質(zhì)量塊帶動所述橋式梁以一驅(qū)動頻率進行振動；一個測定單元，用于測定所述橋式梁振動時其兩端的電壓或電流變化；一個連接在驅(qū)動單元和測定單元之間的反饋單元，用于將所述橋式梁兩端的電壓或電流變化反饋至驅(qū)動單元，并控制所述驅(qū)動單元的驅(qū)動頻率，使得所述質(zhì)量塊帶動所述橋式梁的振動處于諧振狀態(tài)。
所述驅(qū)動單元包括一個交變激振電壓信號發(fā)生器。所述測定單元包括一鎖相放大器。
本發(fā)明的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器具有如下有益效果1)在本發(fā)明的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器是微機電傳感器與納米材料的組合，其中采用半導(dǎo)體氧化物納米帶作為橋式梁，相比與現(xiàn)有的用硅材料的橋式梁，半導(dǎo)體氧化物納米帶結(jié)構(gòu)可控且無缺陷，同時納米帶的柔韌性極佳，在力作用下能夠有更大的形變等優(yōu)點，這些優(yōu)點可提高傳感器的分辨率和精度。
2)采用半導(dǎo)體氧化物納米帶作為橋式梁，使得傳感器的測量方法有了更多的選擇。首先，半導(dǎo)體氧化物納米帶作為半導(dǎo)體材料，可與傳感器中的其它部件構(gòu)成場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，從而可通過測量橋式梁兩端的電流變化來獲取橋式梁的振動狀態(tài)。此外，一些半導(dǎo)體氧化物納米帶還具有壓電效應(yīng)，這樣則可通過測量橋式梁兩端的電壓變化來獲取橋式梁的振動狀態(tài)。
3)由于本發(fā)明采用半導(dǎo)體氧化物納米帶作為橋式梁，因此傳感器中橋式梁——質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的整體尺寸相比現(xiàn)有技術(shù)要小。


圖1是本發(fā)明基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器的諧振頻率檢測電路原理示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述。
如圖1所示，該力傳感器包括一個基體1，該基體1為單晶硅?；w1上覆蓋有一個絕緣層2，該絕緣層2可為氧化硅或氮化硅等材料。絕緣層2上設(shè)有兩兩相對的四個電極，包括電極3、電極5、電極6和電極9，這些電極為多晶硅材料。橋式梁4和8分別搭接在相應(yīng)的對電極上，如圖1所示，橋式梁4的兩端分別固定電極3和電極5上，橋式梁8的兩端分別固定電極6和電極9上。
質(zhì)量塊7為多晶硅材料，該質(zhì)量塊7固定在橋式梁4和8的中間位置，被橋式梁4和8懸掛支撐形成懸空結(jié)構(gòu)。
橋式梁4和8采用半導(dǎo)體氧化物納米帶，例如ZnO、SnO2、In2O3和CdO等納米帶，作為橋式梁4和8的納米帶的典型尺寸通常為長度在20μm～50μm之間，其截面的寬度在50nm～200nm之間，其截面厚度在10nm～50nm之間。
在本發(fā)明中，力傳感器通過測量橋式梁4和8的諧振頻率來測量外力大小，圖2示出了本發(fā)明的諧振頻率檢測電路原理圖。如圖2所示，該諧振頻率檢測電路包括一個連接在電極5和基體1之間的驅(qū)動單元11，該驅(qū)動單元11包括一個交變激振電壓信號發(fā)生器，以便在電極5和基體1之間施加一個交變激振電壓信號。在交變激振電壓信號的作用下，質(zhì)量塊7和基體1之間產(chǎn)生交變的靜電作用力，驅(qū)動質(zhì)量塊7振動，質(zhì)量塊7帶動兩根橋式梁4和8振動。
如圖2所示，在本發(fā)明中，該諧振頻率檢測電路還包括一個連接在橋式梁4兩端的測定單元12，該測定單元12用于測定橋式梁4振動時其兩端的電壓或電流變化，通?？刹捎靡绘i相放大器來實現(xiàn)。橋式梁4兩端的電壓或電流變化反映了橋式梁4的振動狀態(tài)。測定單元12測得的電壓或電流變化通過一個反饋單元13反饋至驅(qū)動單元11，驅(qū)動單元11根據(jù)所接收的反饋信號改變其驅(qū)動頻率，具體地說，就是改變驅(qū)動單元11產(chǎn)生的交變激振電壓信號的頻率。
隨著驅(qū)動單元11驅(qū)動頻率的改變，使得橋式梁4的振幅達到最大，也就是使傳感器中的橋式梁——質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)處于諧振狀態(tài)，此時，驅(qū)動單元11的驅(qū)動頻率與橋式梁——質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的諧振頻率一致。當傳感器受外力作用時，橋式梁——質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的諧振頻率會作相應(yīng)的變化，則驅(qū)動單元11的驅(qū)動頻率就反映了外力的大小。
由于圖2的傳感器為部分剖面圖，因此在圖2中僅示出傳感器中的一對電極，即電極3和電極5，以及一個橋式梁4，而未示出電極6和9以及橋式梁8。但是很容易理解，在本發(fā)明中，驅(qū)動單元11也可施加在電極6和基體1之間，測定單元12也可施加在電極6和9之間。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，驅(qū)動單元11和測定單元12最好不使用相同的電極，例如，當驅(qū)動單元11使用電極5時，則測定單元可使用電極6和9；或者，當驅(qū)動單元11使用電極6時，則測定單元可使用電極3和5。
如前所述，在本發(fā)明中，測定單元12可以通過測量橋式梁兩端的電壓或電流變化來獲取橋式梁的振動狀態(tài)，這是分別是利用了作為橋式梁的半導(dǎo)體氧化物納米帶的壓電效應(yīng)和場效應(yīng)管特性。
對于半導(dǎo)體氧化物納米帶的場效應(yīng)管特性，具體地說是基體1、絕緣層2和橋式梁4和8可構(gòu)成一場效應(yīng)晶體管(FET)結(jié)構(gòu)，類似于金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)。例如在圖2中，基體1作為FET結(jié)構(gòu)的柵極，電極3作為FET結(jié)構(gòu)的漏極，電極5作為FET結(jié)構(gòu)的源極。在傳感器的工作過程中，橋式梁4的振動會引起電極5(源極)和電極3(漏極)之間納米帶的電流變化，如前所述，測定單元12則可測量該電流變化來獲取橋式梁的振動狀態(tài)。
此外，諸如ZnO納米帶等一些半導(dǎo)體氧化物納米帶除了具備場效應(yīng)管特性外還具有壓電效應(yīng)，因此不僅可以通過前述方法來測量橋式梁兩端的電流變化，還可以測量橋式梁的振動所引起的其兩端的電壓變化，這樣測定單元12則可測量該電壓變化來獲取橋式梁的振動狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器，包括橋式梁、質(zhì)量塊、基體和設(shè)置在基體上的多個電極，所述電極和基體之間具有一絕緣層，所述橋式梁的兩端固定在電極上，所述質(zhì)量塊懸空固定在橋式梁的中間；其特征在于，所述橋式梁為半導(dǎo)體氧化物納米帶；還包括一個用于測量所述橋式梁諧振頻率的諧振頻率檢測電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器，其特征在于，所述諧振頻率檢測電路包括一個驅(qū)動單元，用于驅(qū)動所述質(zhì)量塊帶動所述橋式梁以一驅(qū)動頻率進行振動；一個測定單元，用于測定所述橋式梁振動時其兩端的電流變化；一個連接在驅(qū)動單元和測定單元之間的反饋單元，用于將所述橋式梁兩端的電流變化反饋至驅(qū)動單元，并控制所述驅(qū)動單元的驅(qū)動頻率，使得所述質(zhì)量塊帶動所述橋式梁的振動處于諧振狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器，其特征在于，所述基體、所述絕緣層和所述橋式梁構(gòu)成一場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，其中，所述基體作為場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的柵極，所述橋式梁兩端的電極分別作為場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的漏極和源極。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器，其特征在于，所述驅(qū)動單元施加在場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的柵極和源極之間，所述測定單元施加在所述漏極和源極之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器，其特征在于，所述半導(dǎo)體氧化物納米帶為具有壓電效應(yīng)的半導(dǎo)體氧化物納米帶。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器，其特征在于，所述諧振頻率檢測電路包括一個驅(qū)動單元，用于驅(qū)動所述質(zhì)量塊帶動所述橋式梁以一驅(qū)動頻率進行振動；一個測定單元，用于測定所述橋式梁振動時其兩端的電壓或電流變化；一個連接在驅(qū)動單元和測定單元之間的反饋單元，用于將所述橋式梁兩端的電壓或電流變化反饋至驅(qū)動單元，并控制所述驅(qū)動單元的驅(qū)動頻率，使得所述質(zhì)量塊帶動所述橋式梁的振動處于諧振狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或6所述的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器，其特征在于，所述驅(qū)動單元包括一個交變激振電壓信號發(fā)生器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或6所述的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器，其特征在于，所述測定單元包括一鎖相放大器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器，其特征在于，所述半導(dǎo)體氧化物納米帶為ZnO或SnO2納米帶。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器，其特征在于，所述具有壓電效應(yīng)的半導(dǎo)體氧化物納米帶為ZnO納米帶。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微納組合結(jié)構(gòu)的力傳感器，包括橋式梁、質(zhì)量塊、基體和設(shè)置在基體上的多個電極，電極和基體之間具有一絕緣層，橋式梁的兩端固定在電極上，質(zhì)量塊懸空固定在橋式梁的中間；其中，橋式梁為半導(dǎo)體氧化物納米帶，還包括一個用于測量橋式梁諧振頻率的諧振頻率檢測電路。本發(fā)明的力傳感器是微機電傳感器與納米材料的組合，采用半導(dǎo)體氧化物納米帶作為橋式梁，其結(jié)構(gòu)可控且無缺陷，同時納米帶的柔韌性極佳，在力作用下能夠有更大的形變等優(yōu)點，這些優(yōu)點可提高傳感器的分辨率和精度。采用半導(dǎo)體氧化物納米帶作為橋式梁，可利用半導(dǎo)體氧化物納米帶的場效應(yīng)管特性或其壓電特性，使得傳感器的測量方法有了更多的選擇。
文檔編號B82B1/00GK1796952SQ200410101600
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者周兆英, 朱榮, 王鼎渠, 葉雄英 申請人:清華大學(xué)