專利名稱：壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電器件及制造技術(shù)，更具體地說，涉及一種壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電勢差的晶體材料，廣泛應用于 MEMS (Micro Electromechanical System，微電子機械系統(tǒng))領(lǐng)域，例如壓力、震動傳感器， 甚至微型發(fā)電機等。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，垂直生長的壓電材料氧化鋅納米棒(或稱氧化鋅納米線)在受到側(cè)向外力作用彎曲時具有壓電特性。氧化鋅納米棒的橫截面為正六邊形，當納米棒受力被壓彎時，向外部分受到拉伸，向內(nèi)部分受到擠壓。由壓電原理知道，拉伸和擠壓將產(chǎn)生方向相反的電場，也就是沿軸向方向在中分面兩側(cè)將產(chǎn)生方向相反的兩個電場。因此，無論向何方向彎曲，橫截面上部始終為正電位，下部為負電位，中分面與生長襯底相連接為零電位，截面上部的正電位大小與納米棒彎曲的程度成正比例，彎曲越大，電位越高。根據(jù)研究， 長度在ι微米左右，直徑在40至80納米的氧化鋅納米棒的電壓在扣除由于接觸生成的肖特基二極管上的正向壓降外，輸出電壓在5至50微伏之間，內(nèi)阻在幾十到幾百kQ左右。然而，單根納米棒產(chǎn)生的電壓一般為幾十毫伏，電流在幾皮安左右，電壓和電流都太小，遠不足以驅(qū)動通常的電子系統(tǒng)。一般地，通過納米棒陣列并聯(lián)的方法來擴大面積，增加參與的納米棒數(shù)量，從而增加電流。而增加電壓是十分困難的，需要將納米棒串連起來， 但納米棒的尺度太小，現(xiàn)在工藝很難做得到。因此，有必要提出一種具有大的壓電電壓納米棒結(jié)構(gòu)和其制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提供了一種壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)，具有大的壓電電壓，且易于實現(xiàn)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供了如下技術(shù)方案一種壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)，包括第一導電層；第一導電層上壓電層，所述壓電層包括由多條壓電納米線形成的堆疊；壓電層上的第二導電層?？蛇x地，所述壓電納米線的材料為氧化鋅、二氧化硅或四氧硫化鎵?？蛇x地，所述壓電納米線的直徑為lOnm-lOOum?？蛇x地，所述壓電納米線的長度為300nm-10mm。可選地，所述壓電層的厚度為500nm-10000um?？蛇x地，所述堆疊中的壓電納米線基本上有序或無序地平行于與第一導電面排列。
可選地，所述第一導電層和第二導電層的厚度為lOOnm-lOmm。此外，本發(fā)明還提供了一種壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)的制造方法，包括提供襯底；在所述襯底上生長壓電納米線；將壓電納米線從襯底上剝離；將多條壓電納米線堆疊后進行壓合，以形成壓電層；在壓電層相對的表面上分別形成第一導電層和第二導電層。可選地，將多條壓電納米線堆疊后進行壓合的步驟包括將剝離后的壓電納米線浸泡在揮發(fā)性液體中；將包含多條壓電納米線的揮發(fā)性液體倒于第一襯墊片上，在揮發(fā)性液體揮發(fā)后， 將第二襯墊片放置于壓電納米線之上；從第一襯墊片及第二襯墊片施加壓力進行壓合，以形成由多條壓電納米線堆疊而成的壓電層；去除第一襯墊片及第二襯墊片?？蛇x地，將多條壓電納米線堆疊后進行壓合的步驟包括將剝離后的壓電納米線浸泡在過濾液體中；通過過濾膜將過濾液體去除；從過濾膜上將壓電納米線剝離并將壓電納米線堆疊在第一襯墊片上，并將第二襯墊片放置于壓電納米線之上；從第一襯墊片及第二襯墊片施加壓力進行壓合，以形成由多條壓電納米線堆疊而成的壓電層；去除第一襯墊片及第二襯墊片?？蛇x地，所述壓電納米線的材料為氧化鋅、二氧化硅或四氧硫化鎵。與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述技術(shù)方案具有以下優(yōu)點本發(fā)明實施例的壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)，通過將多條壓電納米線堆疊后形成壓電層，從而形成了壓電納米線自串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在受到壓力彎曲時，其壓電效應產(chǎn)生的電壓串聯(lián)，因此輸出了更高的電壓，此外，第一導電層和第二導電層便于將壓電信號引出，并保護了壓電層，便于將壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)應用于各種器件的制造。


通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。圖1為本發(fā)明的壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為壓電納米線的堆疊的升壓原理圖；圖3為本發(fā)明的壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)的橫截面的自升壓原理圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例定向輸出電壓的壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)的形變狀態(tài)示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例無輸出電壓的壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)的形變狀態(tài)示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明實施例的全向輸出電壓的壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發(fā)明保護的范圍。此外，在實際制作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。正如背景技術(shù)中的描述，單條的氧化鋅納米線產(chǎn)生的電壓很小，不足以驅(qū)動電子器件工作，而將納米線串聯(lián)起來增大輸出電壓在工藝上很難實現(xiàn)。在本發(fā)明中，通過將壓電納米線的堆疊起來形成壓電層，從而在截面上形成自串聯(lián)的層疊結(jié)構(gòu)，從而提高輸出電壓， 如圖1所示，為本發(fā)明中的壓電納米線堆疊的升壓原理圖，圖例中為壓電納米線101有序地堆疊在一起的理想情況，在壓電納米線101彎曲時，每一根壓電納米線101在軸向的上部都受到拉伸產(chǎn)生正電位，在軸向的下部都受到擠壓產(chǎn)生負電位，由于壓電納米線101堆疊在一起而使壓電納米線的軸向的表面相互接觸，從而使輸出電壓串聯(lián)，若每條壓電納米線101 的輸出電壓102為V，在堆疊的橫截面上的輸出電壓103串聯(lián)電壓nV，從而通過這種自串聯(lián)的方式實現(xiàn)了整體輸出電壓的升高?；谏鲜鲈恚景l(fā)明提出了一種壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)，通過將多條壓電納米線堆疊后形成壓電層，從而形成了壓電納米線自串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，并且在壓電層的上下表面上分別形成導電層，通過導電層可以將輸出電壓信號引出，并保護了壓電層，便于將壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)應用于各種器件的制造。參考圖2-5所示，該壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)包括第一導電層201;第一導電層201上壓電層202，所述壓電層包括由多條壓電納米線202i形成的堆疊；壓電層202上的第二導電層203。在本發(fā)明中，所述壓電納米線也可稱作壓電納米棒，為具有壓電特性材料的納米線，壓電材料可以為氧化鋅、二氧化硅、四氧硫化鎵或其他具有壓電特性的材料。通常地， 納米線或納米棒為具有在徑向上被限制在納米尺度(長度沒有限制)的一維結(jié)構(gòu)，目前， 典型的納米線為直徑在十幾納米到數(shù)百納米、長度在數(shù)微米到幾十微米或更長的一維材料。在本發(fā)明的實施例中，所述壓電納米線的直徑可以為lOnm-lOOum，壓電納米線可以為 lum-lOmm，或者其他合適的尺寸。可選地，在壓電納米線之間還具有其他有機或無機材料，以提高該結(jié)構(gòu)的性能或工藝過程中的可制造性，例如還可以具有各向異性導電膠，該各向異性導電膠即有粘接的作用，又有只在受壓才表現(xiàn)出導電性的特性，使壓電納米線間接觸更為緊密。
其中，壓電納米線具有基本一致的長度，其長度通常是越長越好，長的納米線便于交織和堆疊，過短會造成非水平的堆疊而減少壓電效應的輸出效率，在本發(fā)明的實施例中， 壓電納米線的長度可以為300nm-10mm，或其他合適的長度。其中，所述第一導電層和第二導電層可以為相同或不同的導電材料，導電材料例如單金屬材料、多金屬復合材料、合金材料或?qū)щ娪袡C材料等等，所述第一導電層和第二導電層可以具有相同或不同的厚度，其厚度范圍可以為lOOnm-lOmm。所述第一導電層和第二導電層分別形成在壓電層相對的表面上，通過該第一和第二導電層將壓電層的電壓信號弓I 出，并對壓電層提供物理支撐，使整個壓電層成型，便于后續(xù)應用于各種器件的制造，也為壓電層提供了保護，使其不受外界的污染和損壞等。其中，參考圖4所示，所述壓電層可以為由所述壓電納米線基本上有序排列形成的堆疊。也就是說，在壓電層中，壓電納米線402的徑向取向基本一致，堆疊中至少大多數(shù)的壓電納米線有序地與第一導電面平行地排列，對于該納米線有序排列的疊層結(jié)構(gòu)，其輸出電壓為定向輸出，也就是說輸出電壓與該結(jié)構(gòu)的形變方向相關(guān)，輸出電壓的大小與形變大小有關(guān)，在該結(jié)構(gòu)的形變面的法向在納米線402的徑向與該結(jié)構(gòu)未形變時的法向面內(nèi)時，如圖4所示，該結(jié)構(gòu)的輸出為最大；在該結(jié)構(gòu)的形變面的法向在納米線502的徑向與該結(jié)構(gòu)未形變時的法向相垂直的面內(nèi)時，如圖5所示，該結(jié)構(gòu)無輸出，其他任何位置的形變產(chǎn)生的輸出界于這兩者之間，與具體形變的方向有關(guān)。其中，由壓電納米線堆疊形成的壓電層的厚度為500nm-10000Um，或者其他合適的厚度，可以根據(jù)具體的設計需要和制造工藝來確定所要形成的壓電層的厚度。參考圖6所示，所述壓電層可以為由所述壓電納米線基本無序排列形成的堆疊， 也就是說，在壓電層中，壓電納米線602的徑向取向是雜亂的，堆疊中的至少大多數(shù)的壓電納米線無序地平行于第一導電層排列，對于該納米線無序排列的疊層結(jié)構(gòu)，其輸出電壓為不定向輸出，雖然納米線為雜亂堆疊形成壓電層的，但納米線間仍然是接觸的，仍可以通過自串聯(lián)的方式實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)輸出電壓的升高。對于該納米線無序排列的疊層結(jié)構(gòu)，其輸出電壓與形變方向無關(guān)，如圖6所示。需要說明的是，對于壓電層中的壓電納米線，理想的狀態(tài)為全部的壓電納米線都平行于第一導電層排列并有序地堆疊形成壓電層，而由于制造工藝的限制，該理想狀態(tài)并不易實現(xiàn)，但大多數(shù)的壓電納米線平行于第一導電層排列并有序或無序地堆疊形成的壓電層，同樣可以達到本發(fā)明的目的。以上對本發(fā)明的壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案和效果進行了詳細的描述，此外，本發(fā)明還提供了上述結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法包括提供襯底；在所述襯底上生長壓電納米線；將壓電納米線從襯底上剝離；將多條壓電納米線堆疊后進行壓合，以形成壓電層；在壓電層相對的表面上分別形成第一導電層和第二導電層。為了更好地理解本發(fā)明，以下將根據(jù)該制造方法的流程對具體實施例的制造過程進行詳細的描述。在步驟SOl，提供襯底。
在此實施例中，提供硅襯底，所述硅襯底為用于形成壓電納米線的基底，所述硅襯底已進行過清洗處理等前期操作。在步驟S102，在所述襯底上生長壓電納米線。 可以通過任何合適的方法形成其他所需的壓電納米線。在此實施例中，采用蒸發(fā)法在硅襯底上形成氧化鋅的納米線，氧化鋅的納米線的長度基本一致，在此實施例中，長度可以為10um-100um。在步驟S103，將壓電納米線從襯底上剝離。在此實施例中，將氧化鋅的納米線從硅襯底上刮下。在步驟S104，將多條壓電納米線堆疊后進行壓合，以形成壓電層。具體地，在一個實施例中通過揮發(fā)法來制作壓電層，具體地首先，將剝離后的壓電納米線浸泡在揮發(fā)性液體中。在此實施例中，將刮下的氧化鋅的納米線浸泡在揮發(fā)性液體但不溶解氧化鋅的液體中，例如酒精。而后，將包含多條壓電納米線的揮發(fā)性液體倒于第一襯墊片上，使壓電納米線堆疊在一起，在揮發(fā)性液體揮發(fā)后，將第二襯墊片放置于壓電納米線的堆疊之上。所述第一和第二襯墊片用于支撐多條壓電納米線的堆疊的基片，并用于后續(xù)壓合工藝的襯墊。在此實施例中，所述第一和第二襯墊片為硅片，氧化鋅納米線雜亂地堆置在第一襯墊片上，第二襯墊片覆蓋在氧化鋅納米線之上。而后，從第一襯墊片及第二襯墊片施加壓力進行壓合，以形成由多條壓電納米線堆疊而成的壓電層。可選地，在此步驟中，還可以采用過濾法來制作該壓電層，具體地首先，將剝離后的壓電納米線浸泡在過濾液體中，過濾液體例如水，壓電納米線例如氧化鋅納米線。而后，通過過濾膜將過濾液體去除，這樣，壓電納米線堆置在了過濾膜上。而后，從過濾膜上將壓電納米線剝離并將壓電納米線堆疊在第一襯墊片上，并將第二襯墊片放置于壓電納米線之上，第一和第二襯墊片例如硅片。而后，同揮發(fā)法的制作步驟，從第一襯墊片及第二襯墊片施加壓力進行壓合，以形成由多條壓電納米線堆疊而成的壓電層，以及去除第一襯墊片及第二襯墊片。在此實施例中，可以將上述結(jié)構(gòu)放置于高壓設備中進行壓合成膜工藝，壓合后的壓電納米線的堆疊緊密集成在一起，形成壓電納米線堆疊而成的壓電層。根據(jù)需要，在壓合工藝中，還可以進行抽真空或加熱的操作，以更好地進行壓合。而后，除去第一襯墊片和第二襯墊片。在步驟S105，在壓電層相對的表面上分別形成第一導電層和第二導電層。在此實施例中，可以對上述壓電層進行兩面金屬濺射，在壓電層相對的兩個表面上鍍上金屬，從而形成第一和第二導電層。 至此，形成了本發(fā)明實施例的壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)。以上為本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明并不限于此。雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此， 凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括第一導電層；第一導電層上壓電層，所述壓電層包括由多條壓電納米線形成的堆疊； 壓電層上的第二導電層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述壓電納米線的材料為氧化鋅、二氧化硅或四氧硫化鎵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述壓電納米線的直徑為 IOnm-IOOum0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述壓電納米線的長度為 300nm-10mmo
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述壓電層的厚度為 500nm-10000um。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的疊層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述堆疊中的壓電納米線基本上有序或無序地平行于第一導電面排列。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一導電層和第二導電層的厚度為 lOOnm-lOmm。
8.一種壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，包括 提供襯底；在所述襯底上生長壓電納米線； 將多條壓電納米線從襯底上剝離； 將多條壓電納米線堆疊后進行壓合，以形成壓電層； 在壓電層相對的表面上分別形成第一導電層和第二導電層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，將多條壓電納米線堆疊后進行壓合的步驟包括將剝離后的壓電納米線浸泡在揮發(fā)性液體中；將包含多條壓電納米線的揮發(fā)性液體倒于第一襯墊片上，在揮發(fā)性液體揮發(fā)后，將第二襯墊片放置于壓電納米線之上；從第一襯墊片及第二襯墊片施加壓力進行壓合，以形成由多條壓電納米線堆疊而成的壓電層；去除第一襯墊片及第二襯墊片。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，將多條壓電納米線堆疊后進行壓合的步驟包括將剝離后的壓電納米線浸泡在過濾液體中； 通過過濾膜將過濾液體去除；從過濾膜上將壓電納米線剝離并將壓電納米線堆疊在第一襯墊片上，并將第二襯墊片放置于壓電納米線之上；從第一襯墊片及第二襯墊片施加壓力進行壓合，以形成由多條壓電納米線堆疊而成的壓電層；去除第一襯墊片及第二襯墊片。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述壓電納米線的材料為氧化鋅、二氧化硅或四氧硫化鎵。
全文摘要
本發(fā)明實施例公開了一種壓電納米線的疊層結(jié)構(gòu)，包括第一導電層；第一導電層上壓電層，所述壓電層包括由多條壓電納米線形成的堆疊；壓電層上的第二導電層。通過將多條壓電納米線堆疊后形成壓電層，從而形成了壓電納米線自串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在受到壓力彎曲時，其壓電效應產(chǎn)生的電壓串聯(lián)，因此輸出了更高的電壓，此外，第一導電層和第二導電層便于將壓電信號引出，并保護了壓電層，便于將壓電納米線疊層結(jié)構(gòu)應用于各種器件的制造。
文檔編號B82Y15/00GK102522493SQ20111040423
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者萬里兮, 周靜 申請人:中國科學院微電子研究所