專利名稱：一種光電位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種光電位移傳感器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及探測器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種光電位移傳感器。
背景技術(shù)：
[0002]位移傳感器是把位移轉(zhuǎn)換為電量的傳感器，被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)、工業(yè)控制、儀器制造領(lǐng)域。位移傳感器可以分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，超聲波式位移傳感器,霍爾式位移傳感器，光電式位移傳感器等。[0003]現(xiàn)在常用的位移傳感器是電位器式位移傳感器，它結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號大，使用方便，價格低廉。但是它容易磨損，而且其輸出特性呈階梯形。同時由于機械式的電刷無法做到微米級別，所以其精度不高。目前高精度的位移傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作成本高、價格昂貴。實用新型內(nèi)容[0004]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型的目的在于提供一種光電位移傳感器，來提高和改善光電位移傳感器的線性度和靈敏度。[0005]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本實用新型提供一種光電位移傳感器，至少包括半導(dǎo)體襯底；形成于所述半導(dǎo)體襯底上的金屬薄膜層；分別設(shè)置在所述金屬薄膜層兩端的第一電極和第二電極；分別與所述第一電極和第二電極連接的第一電極引線和第二電極引線。[0006]可選地，所述金屬薄膜層的厚度為lnnT50nm。[0007]可選地，所述金屬薄膜層的厚度為5. 9nnT7. Onm。[0008]可選地,所述金屬薄膜層包括單一金屬或金屬合金。[0009]可選地，所述單一金屬為Ti、Co或Cu。[0010]可選地，還包括形成在所述半導(dǎo)體襯底和所述金屬薄膜層之間的氧化物層。[0011]可選地，所述氧化物層為氧化物半導(dǎo)體層或金屬氧化物層。[0012]可選地，所述氧化物半導(dǎo)體層為SiO2氧化物層或NiO氧化物層。[0013]可選地，所述金屬氧化物層為TiO2氧化物層。[0014]可選地，所述氧化物層的厚度范圍為O. lnnTl38nm。[0015]可選地，所述氧化物層的厚度范圍為I. OnnTl. 5nm或O. 06ηπΓ0· 32nm。[0016]可選地，所述第一電極和所述第二電極之間的距離范圍為O. 5mnTl5. Omm。[0017]可選地，所述第一電極和所述第二電極之間的距離范圍為I. 5mnT5. Omm。[0018]可選地，還包括分別設(shè)置在所述金屬薄膜層另外兩端的第三電極和第四電極以及分別與所述第三電極和第四電極連接的第三電極引線和第四電極引線；所述第一電極和所述第二電極的連線與所述第三電極和所述第四電極的連線相垂直。[0019]可選地，所述的第一電極、所述第二電極、所述第三電極和所述第四電極采用金、 銀、鋁、銅、鉬、銦或錫金金屬材料，制成一個點或是一條線。[0020]如上所述，本實用新型的一種光電位移傳感器，具有以下有益效果[0021]I、本實用新型通過將金屬薄膜層作為光電位置傳感器的光響應(yīng)面，可以顯著提高和改善光電位移傳感器的線性度和靈敏度。[0022]2、本實用新型通過設(shè)置光電位置傳感器中金屬薄膜層的厚度、氧化物層的厚度以及金屬薄膜層中的金屬，使得光電位置傳感器的線性度和靈敏度達(dá)到最優(yōu)。[0023]3、本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。


[0024]圖I顯示為本實用新型的一種光電位移傳感器的實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。[0025]圖2顯示為本實用新型中Ti/Si結(jié)構(gòu)的光電位移傳感器的橫向光伏效應(yīng)圖。[0026]圖3顯示為本實用新型中Co/Si結(jié)構(gòu)的光電位移傳感器的橫向光伏效應(yīng)圖。[0027]圖4顯示為本實用新型中激光照射在金屬薄膜層和半導(dǎo)體襯底面上時的橫向光伏效應(yīng)對比圖。[0028]圖5 圖6顯示為本實用新型中Ti/Si結(jié)構(gòu)不同金屬薄膜層厚度時的光電位移傳感器的橫向光伏效應(yīng)圖。[0029]圖7顯示為本實用新型中Ti/Si結(jié)構(gòu)不同金屬薄膜層厚度時的光電位移傳感器的靈敏度理論值與實際值對比圖。[0030]圖8顯示為本實用新型中Co/Si結(jié)構(gòu)不同功率的激光照射時的光電位移傳感器的靈敏度理論值與實際值對比圖。[0031]圖9顯示為本實用新型中Co/Si結(jié)構(gòu)不同波長的激光照射時的光電位移傳感器的靈敏度理論值與實際值對比圖。[0032]圖10顯示為本實用新型的一種光電位移傳感器的實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。[0033]圖11顯示為本實用新型中Ti/Ti02/Si結(jié)構(gòu)的光電位移傳感器的橫向光伏效應(yīng)圖。[0034]圖12顯示為本實用新型中Ti/Si02/Si結(jié)構(gòu)的光電位移傳感器的橫向光伏效應(yīng)圖。[0035]圖13顯示為本實用新型中Cu/NiO/Si結(jié)構(gòu)的光電位移傳感器的橫向光伏效應(yīng)圖。[0036]圖14顯示為本實用新型中Ti/Ti02/Si結(jié)構(gòu)不同氧化物層厚度時的光電位移傳感器的橫向光伏效應(yīng)圖。[0037]圖15顯示為本實用新型中Ti/Ti02/Si結(jié)構(gòu)不同氧化物層厚度時的光電位移傳感器的靈敏度理論值與實際值對比圖。[0038]元件標(biāo)號說明[0039]I光電位移傳感器[0040]11半導(dǎo)體襯底[0041]12金屬薄膜層[0042]13氧化物層[0043]14第一電極[0044]15第二電極[0045]16第一電極引線[0046]17第二電極引線[0047]Vab從金屬薄膜層輸出的電壓[0048]Vcd從半導(dǎo)體襯底輸出的電壓[0049]L1^L14橫向光伏效應(yīng)曲線[0050]ERl ER4實際橫向光伏效應(yīng)曲線[0051]TR1 TR4理論橫向光伏效應(yīng)曲線具體實施方式
[0052]以下通過特定的具體實例說明本實用新型的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本實用新型的其他優(yōu)點與功效。本實用新型還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本實用新型的精神下進行各種修飾或改變。[0053]請參閱圖I至圖15。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本實用新型的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本實用新型中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。[0054]盡管光電位移傳感器已被廣泛的應(yīng)用，但是線性度和靈敏度兩個最關(guān)鍵性能指標(biāo)還有待提高。所以自從光電位移傳感器出現(xiàn)以來，很多人就一直致力于探索新的材料和結(jié)構(gòu)來制作光電位移傳感器，來提高和改善光電位移傳感器的性能。[0055]有鑒于此，本實用新型提供一種光電位移傳感器，來提高和改善光電位移傳感器的線性度和靈敏度。以下將詳細(xì)闡述本實用新型的一種光電位移傳感器的原理及實施方式，使本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要創(chuàng)造性勞動即可理解本實用新型的一種光電位移傳感器。[0056]第一實施例[0057]如圖I所示，本實用新型提供一種光電位移傳感器，所述光電位移傳感器I至少包括半導(dǎo)體襯底11、形成于所述半導(dǎo)體襯底11上的金屬薄膜層12、分別設(shè)置在所述金屬薄膜層12兩端的第一電極14和第二電極15以及分別與所述第一電極14和第二電極15連接的第一電極引線16和第二電極引線17。[0058]一般來說，薄膜材料的制備主要有物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積兩種方法。物理氣相沉積技術(shù)主要包括真空蒸發(fā)(電子束蒸發(fā)、激光束蒸發(fā)等)、濺射鍍膜以及在它們基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分子束外延(MBE)等；化學(xué)氣相沉積技術(shù)主要包括等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)、金屬有機物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等。我們薄膜的制備方法采用的是濺射鍍膜，常用的濺射方法有直流磁控濺射、射頻磁控濺射、三極濺射和離子束濺射等。本實施例中，采用超高真空磁控與離子束聯(lián)合濺射設(shè)備進行直流磁控濺射的方法將所述金屬薄膜層 12沉積在半導(dǎo)體襯底11上。[0059]直流磁控濺射是制備磁性薄膜材料的一種重要的技術(shù)手段，目前已經(jīng)應(yīng)用于許多生產(chǎn)實際中。采用直流磁控濺射方法制備薄膜有許多優(yōu)點1、沉積獲得的薄膜厚度比較均勻；2、薄膜與襯底結(jié)合情況較好；3、薄膜沉積率較高；4、沉積的薄膜可以較好地保持靶材的理想化學(xué)配比；5、容易控制薄膜厚度。[0060]所述半導(dǎo)體襯底11可以從Si、GaAs、Al2O3等半導(dǎo)體材料中選取制備，在本實施例中，所述半導(dǎo)體襯底11采用η型的單晶娃半導(dǎo)體。所述半導(dǎo)體襯底11的厚度為O. ImnTlmm,具體在本實施例中選取所述半導(dǎo)體襯底11的厚度為O. 28mnT0. 32mm ;電阻率在室溫下為 50 Ω . cnTsO Ω . cm。在所述金屬薄膜層12形成在半導(dǎo)體襯底11上之后，在所述金屬薄膜層 12的兩端分別制作第一電極14和第二電極15，所述的第一電極14和第二電極15采用金、 銀、鋁、銅、鉬、銦或錫金金屬材料，制成一個點或是一條線。在本實施例中，所述第一電極14 和第二電極15由銦金屬材料形成的銦點，所述銦點的尺寸都應(yīng)小于1mm。此外，在形成銦點的過程中，銦點形成時第一電極14與第一電極引線16相連,另一個銦點形成時第二電極15 和第二電極引線17相連。制備好第一電極14和第二電極15，就可以測量第一電極14和第二電極15之間的橫向光伏效應(yīng)，即可以通過該光電位移傳感器I可以探測一維的位移。[0061]為使本實用新型的光電位移傳感器I也可以探測二維的位移，即可以同時探測兩個不在同一平面方向的位移，在本實施例中，本實用新型的光電位移傳感器I還包括分別設(shè)置在所述金屬薄膜層12另外兩端的第三電極和第四電極以及分別與所述第三電極和第四電極連接的第三電極引線和第四電極引線；所述第一電極14和所述第二電極15的連線與所述第三電極和所述第四電極的連線相垂直。[0062]為了簡單明了說明本實用新型的原理，以測量第一電極14和第二電極15之間的橫向光伏效應(yīng)為例進行說明。[0063]在制備好光電位移傳感器I之后，測量在金屬薄膜層12上的橫向光伏效應(yīng)。具體如下用電壓表連接第一電極引線和第二電極引線，以測量所述金屬薄膜層是否可以導(dǎo)通， 然后，打開激光器，將激光直接照在第一電極上，調(diào)整激光點位置，使電壓最大，調(diào)整激光點的位置，當(dāng)電壓為O時，激光點應(yīng)位于第一電極14和第二電極15中間的位置，繼續(xù)調(diào)整激光點的位置，記錄電壓與位置的關(guān)系，得出橫向光伏效應(yīng)圖。[0064]所述金屬薄膜層12可以由單一金屬或金屬合金形成。在本實施例中，所述金屬薄膜層12由單一金屬形成，所述單一金屬包括Ti、Co或Cu，相應(yīng)地，所述金屬薄膜層12為由上述單一金屬形成的Ti金屬薄膜層、Co金屬薄膜層或Cu金屬薄膜層。[0065]如圖2至圖4所示，分別顯示為本實用新型中Ti/Si結(jié)構(gòu)和Co/Si結(jié)構(gòu)的光電位移傳感器I的橫向光伏效應(yīng)圖和激光照射在金屬薄膜層12和半導(dǎo)體襯底11面上時的橫向光伏效應(yīng)對比圖。實驗上，Ti金屬、Cu金屬或Co金屬鍍在玻璃上沒有觀測到橫向光伏效應(yīng)，因為金屬不吸收光，從而金屬是等式的。為了更好的對比不同金屬-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的橫向光伏效應(yīng)，我們?nèi)i金屬薄膜層、Co金屬薄膜層或Cu金屬薄膜層的厚度(都為6. 2nm) 完全一樣，同時第一電極14和第二電極15之間的距離為3. 2mm,激光的波長和功率分別為 632nm和3mW。如圖2至圖4所示，很明顯，金屬薄膜層12面的橫向光伏效應(yīng)(從金屬薄膜層輸出的電壓Vab)相對于半導(dǎo)體面的橫向光伏效應(yīng)(從半導(dǎo)體襯底輸出的電壓Vm)更明顯。既然只是在第一電極14和第二電極15之間的線性橫向光伏對位置靈敏傳感器有用， 我們下面的討論只關(guān)心第一電極14和第二電極15之間的橫向光伏效應(yīng)。從圖2至圖4中我們可以得出，Ti/Si結(jié)構(gòu)中金屬薄膜層12橫向光伏的非線性度為4. 8%，半導(dǎo)體面的非線性度為8. 3% ;而對于Co/Si結(jié)構(gòu)，金屬薄膜層12橫向光伏的非線性度3. 9%，半導(dǎo)體面的非線性度為6. 2% ;而對于Cu/Si結(jié)構(gòu)，金屬薄膜層12橫向光伏的非線性度3. 4%，半導(dǎo)體面的非線性度為5. 8%。這意味著這三種金屬-半導(dǎo)體中的線性度非常的好。[0066]橫向光伏效應(yīng)中另一個關(guān)鍵的因素為橫向光伏隨位置的靈敏度。從圖2至圖4中我們可以得出，對于Ti/Si結(jié)構(gòu)金屬面的橫向光伏靈敏度為40. OmV/mm,對于Co/Si結(jié)構(gòu)金屬面的橫向光伏靈敏度為31.2mV/mm,對于Cu/Si結(jié)構(gòu)金屬面的橫向光伏靈敏度為6. 5mV/ _，這都要比它們半導(dǎo)體面的橫向光伏大。在半導(dǎo)體面，Ti/Si結(jié)構(gòu)的靈敏度為27. 2mV/mm, Co/Si結(jié)構(gòu)的靈敏度為21. 8mV/mm,，Cu/Si結(jié)構(gòu)的靈敏度為5. lmV/mm。這些結(jié)果表明，金屬面的橫向光伏在這些結(jié)構(gòu)中能顯現(xiàn)出比半導(dǎo)體面大的多的橫向光伏效應(yīng)。[0067]金屬薄膜層12上的橫向光伏效應(yīng)很大程度上取決于金屬薄膜層12的厚度。如果金屬薄膜層12的厚度一旦遠(yuǎn)離了最佳值，那么橫向光伏效應(yīng)立即將會減小。只有當(dāng)金屬薄膜層12的厚度適宜時，橫向光伏效應(yīng)才會變得明顯。[0068]為了進一步測量金屬-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的金屬薄膜層12的厚度對橫向光伏效應(yīng)的影響，我們在Ti/Si結(jié)構(gòu)中取不同的Ti金屬薄膜層的厚度(圖5和圖6中d所示)進行橫向光伏效應(yīng)測量。如圖5所示，其中，橫向光伏效應(yīng)曲線L1對應(yīng)的Ti金屬薄膜層的厚度為 6. 2nm、橫向光伏效應(yīng)曲線L2對應(yīng)的Ti金屬薄膜層的厚度為6. lnm、橫向光伏效應(yīng)曲線1^3對應(yīng)的Ti金屬薄膜層的厚度為6. 4nm、橫向光伏效應(yīng)曲線L4對應(yīng)的Ti金屬薄膜層的厚度為 6. Onm、橫向光伏效應(yīng)曲線L5對應(yīng)的Ti金屬薄膜層的厚度為6. 7nm、橫向光伏效應(yīng)曲線L6對應(yīng)的Ti金屬薄膜層的厚度為7. Onm、橫向光伏效應(yīng)曲線L7對應(yīng)的Ti金屬薄膜層的厚度為 5. 9nm、第一電極14和第二電極15之間的距離為3. 2mm,激光波長和功率分別為632nm和 3mW。如圖7所示，顯示為Ti/Si結(jié)構(gòu)中不同Ti金屬薄膜層厚度下的橫向光伏效應(yīng)圖及靈敏度理論值與實際值對比圖。我們從圖5和圖7中很清楚的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ti金屬薄膜層的厚度遠(yuǎn)離其最佳厚度6. 2nm(圖7中所示的(1_)時，橫向光伏的靈敏度將會降低。這就是為什么我們之前選擇Ti (6. 2nm)/Si結(jié)構(gòu)，因為，在這厚度下，Ti/Si結(jié)構(gòu)將會有最強的橫向光伏效應(yīng)。因此，為了在金屬-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中獲得較大的橫向光伏效應(yīng)，一個合適的金屬薄膜層的厚度是非常關(guān)鍵的，在本實施例中，所述Ti金屬薄膜層的厚度為6. 2nm。實際上，在金屬薄膜層的厚度在lnnT50nm內(nèi)都可以探測到橫向光伏效應(yīng)，如圖6所示，圖6顯示為Ti金屬薄膜層的厚度為50nm時的橫向光伏效應(yīng)圖。理論上，金屬薄膜層在大于50nm的厚度也是可以探測到橫向光伏效應(yīng)，但是在金屬薄膜層厚度過大時，橫向光伏效應(yīng)相對沒有那么明顯， 根據(jù)本實用新型中光電位移傳感器I的厚度需要以及光電位移傳感器I的靈敏度和線性度考慮，不需要做太厚的光響應(yīng)層(即金屬薄膜層)。我們可以從圖5和圖7中看到所述Ti金屬薄膜層的厚度具有一個閾值(圖7中所示的Cltl),為5. 9nm。當(dāng)Ti金屬薄膜層的厚度比這閾值大的時候，Ti/Si結(jié)構(gòu)才會出現(xiàn)明顯橫向光伏效應(yīng)，因而在本實施例,選取所述金屬薄膜層12的厚度范圍為5· 9ηπΓ7· Onm。[0069]此外，實驗發(fā)現(xiàn)，激光的功率和波長會很大程度上的影響橫向光伏效應(yīng)。圖8顯示了 Co(3. 5nm)/Si結(jié)構(gòu)中橫向光伏在不同激光波長下隨激光功率的變化,其中，理論橫向光伏效應(yīng)曲線TRl對應(yīng)的激光波長為832nm、理論橫向光伏效應(yīng)曲線TR2對應(yīng)的激光波長為 8808nm、理論橫向光伏效應(yīng)曲線TR3對應(yīng)的激光波長為780nm、理論橫向光伏效應(yīng)曲線TR4 對應(yīng)的激光波長為980nm、實際橫向光伏效應(yīng)曲線ERl對應(yīng)的激光波長為832nm、實際橫向光伏效應(yīng)曲線ER2對應(yīng)的激光波長為808nm、實際橫向光伏效應(yīng)曲線ER3對應(yīng)的激光波長為 780nm、實際橫向光伏效應(yīng)曲線ER4對應(yīng)的激光波長為980nm。很清楚的可以看到，對于不同的波長，在小功率情況下橫向光伏靈敏度總是正比于激光波長，而在大功率下橫向光伏趨于飽和。對于不同的激光波長，飽和值是不同的。為了更好的理解橫向光伏效應(yīng)和光波長之間的關(guān)系，我們進一步的測量了橫向光伏在特定激光功率5mW下隨激光波長的變化。如圖9所示，我們發(fā)現(xiàn)橫向光伏效應(yīng)存在一個最佳的波長。對于Co(3. 5nm)/Si結(jié)構(gòu)，最佳波長在832nm附近。事實上，這個最佳波長可以在金屬_半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中被金屬薄膜層12的厚度所調(diào)控。[0070]對于橫向光伏效應(yīng)，最重要的兩個指標(biāo)就是橫向光伏靈敏度和線性度。為了得到一個好的橫向光伏效應(yīng)，大的橫向光伏靈敏度和好的線性度是不可缺少的。事實上，這兩個指標(biāo)和第一電極14和第二電極15之間的距離有密切的關(guān)系。通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，第一電極 14和第二電極15之間的距離的增加會降低橫向光伏的線性度。當(dāng)接觸點距離小于5. Omm 時，非線性度將小于15%。當(dāng)接第一電極14和第二電極15之間的距離變大時，非線性度將大于(舉個例子，18. 2%對于6. Omm距離)15%。如果我們定義一個有效的第一電極14和第二電極15之間的距離，在這個距離下橫向光伏非線性度將小于可接受值，在第一電極14和第二電極15之間的距離為O. 5mnTl5. Omm時，都可以測量到橫向光伏效應(yīng)。但距離太小，應(yīng)用會收到限制，在本實施例中，第一電極14和第二電極15之間的最小距離為5. 0mm。另外， 隨第一電極14和第二電極15之間的距離增加，橫向光伏會降低。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝浑姌O14 和第二電極15之間的距離為2. 4mm時，橫向光伏靈敏度達(dá)到最大值，為47. 2mV/mm，但是當(dāng)?shù)谝浑姌O14和第二電極15之間的距離擴展到6. Omm時，橫向光伏靈敏度降低到24. 3mV/ mm。因此，合適的第一電極14和第二電極15之間的距離不但能得到一個大的橫向光伏靈敏度，還能得到一個好的線性度。[0071]在本實施例中所述第一電極14和所述第二電極15之間的距離范圍為 O. 5mnTl5mm,具體選取所述第一電極14和所述第二電極15之間的距離為2.4mm。[0072]以上的橫向光伏效應(yīng)測量都是在第一電極14和第二電極15的連線上測得的。但是橫向光伏效應(yīng)也會隨不同垂直距離I (垂直于第一電極14和第二電極15的連線)而變化。當(dāng)垂直距離增加時，橫向光伏的線性度會減小。當(dāng)垂直距離(即第三電極和第四電極之間的距離)為3. Omm時，橫向光伏非線性度將變成20. 1%，這個數(shù)值已經(jīng)大于我們可接受的值15%。如果我們定義一個有效垂直距離y，在這個距離內(nèi)橫向光伏的非線性度將小于可接受值。在這種情況下，有效垂直距離為2. 0mm。進一步的，垂直距離的增加會減小橫向光伏的靈敏度。因此，小的垂直距離不但能得到一個大的橫向光伏靈敏度還能得到一個好的橫向光伏線性度。[0073]第二實施例[0074]第二實施例與第一實施例的區(qū)別在于，在第二實施例中，如圖10所示，所述光電位移傳感器I除了包括半導(dǎo)體襯底11、金屬薄膜層12、分別設(shè)置在所述金屬薄膜層12兩端的第一電極14和第二電極15、以及分別與所述第一電極14和第二電極15連接的第一電極 14引線和第二電極15引線之外，還包括形成在所述半導(dǎo)體襯底11和所述金屬薄膜層12之間的氧化物層13。[0075]所述氧化物層13為氧化物半導(dǎo)體層或金屬氧化物層。在本實施例中，所述氧化物半導(dǎo)體層優(yōu)選為SiO2氧化物層或NiO氧化物層，所述金屬氧化物層優(yōu)選為TiO2氧化物層。 所述氧化物層13的厚度可以選取為O. lnnTl38nm。請參閱圖11至圖13，分別顯示為本實用新型中Ti/Ti02/Si結(jié)構(gòu)、Ti/Si02/Si結(jié)構(gòu)和Cu/NiO/Si的光電位移傳感器I的橫向光伏效應(yīng)圖。很明顯，金屬薄膜層12面的橫向光伏效應(yīng)(從金屬薄膜層輸出的電壓Vab)相對于半導(dǎo)體面的橫向光伏效應(yīng)(從半導(dǎo)體襯底輸出的電壓Vm)更明顯。在Ti/Ti02/Si結(jié)構(gòu)中的TiO2氧化物層是采用直流磁控濺射形成在半導(dǎo)體襯底11上(事先將半導(dǎo)體襯底11上天然的SiO2氧化物層清理掉)，Ti/Si02/Si結(jié)構(gòu)中的SiO2氧化物層是天然的。如圖11至圖13 所示，在Ti/Si02/Si結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)出一個很大的橫向光伏，金屬面的靈敏度為48. 6mV/mm，而半導(dǎo)體面的靈敏度為12. lmV/mm。Ti/Ti02/Si結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)橫向光伏效應(yīng)，但相對Ti/Si02/ Si結(jié)構(gòu)橫向光伏效應(yīng)要小一些，金屬面的靈敏度為4. OmV/mm，而半導(dǎo)體面的靈敏度I. 4mV/ mm。和Ti/Si結(jié)構(gòu)相比，Ti/Si02/Si結(jié)構(gòu)的靈敏度要高，但Ti/Ti02/Si結(jié)構(gòu)的靈敏度卻要低。這是因為對于Ti/Ti02/Si結(jié)構(gòu)，TiO2氧化物層起到了一個高勢壘的作用，而這個勢壘會妨礙電子從半導(dǎo)體躍遷到金屬中去，這將會導(dǎo)致橫向光伏效應(yīng)變小。然而，對于Ti/Si02/ Si結(jié)構(gòu)，盡管SiO2氧化物層仍然有勢壘作用，但是在SiO2-Si界面中會存在處于禁帶范圍內(nèi)的表面態(tài)。這將會增加光照引起的電子濃度，這導(dǎo)致了橫向光伏效應(yīng)的增加。同時，從圖 13可以看出，在Cu/NiO/Si結(jié)構(gòu)上也會出現(xiàn)明顯的橫向光伏效應(yīng)，在圖13中所述NiO氧化物層的厚度為148nm，Cu金屬薄膜層的厚度為6. 8nm，金屬面的靈敏度為37. 9mV/mm。[0076]TiO2氧化物層會使Ti/Ti02/Si結(jié)構(gòu)中的橫向光伏效應(yīng)變小因為TiO2氧化物層勢壘會影響電子從半導(dǎo)體中躍遷到金屬中去。為了更好的研究氧化物層13所引起的厚度效應(yīng)，我們測量了不同TiO2厚度下Ti (6. 2nm)/Ti02/Si結(jié)構(gòu)中的橫向光伏效應(yīng)，請參閱圖14， 顯示為Ti (6. 2nm) /Ti02/Si結(jié)構(gòu)中不同TiO2氧化物層的厚度(圖14中所示的a)下的橫向光伏效應(yīng)，其中，橫向光伏效應(yīng)曲線L8對應(yīng)的TiO2氧化物層的厚度為I. Onm、橫向光伏效應(yīng)曲線L9對應(yīng)的TiO2氧化物層的厚度為I. 4nm、橫向光伏效應(yīng)曲線Lltl對應(yīng)的TiO2氧化物層的厚度為I. 8nm、橫向光伏效應(yīng)曲線L11對應(yīng)的TiO2氧化物層的厚度為2. 2nm、橫向光伏效應(yīng)曲線L12對應(yīng)的TiO2氧化物層的厚度為2. 6nm、橫向光伏效應(yīng)曲線L13對應(yīng)的TiO2氧化物層的厚度為3. Onm、橫向光伏效應(yīng)曲線L14對應(yīng)的TiO2氧化物層的厚度為3. 4nm。我們從圖 14中可以看到橫向光伏靈敏度隨著氧化物層13厚度的增加而減小。這是因為氧化物層13 厚度的增加會增加勢壘厚度，這導(dǎo)致了電子從半導(dǎo)體躍遷到金屬更加的困難。[0077]請參閱圖15顯示為Ti (6. 2nm) /Ti02/Si結(jié)構(gòu)中橫向光伏靈敏度隨TiO2氧化物層厚度變化的理論值和實際值對比圖。[0078]從圖15中可以看出，當(dāng)TiO2氧化物層厚度減小到O. 16nm時，Ti (6. 2nm) /Ti02/Si 結(jié)構(gòu)中的橫向光伏將會極大地被增強。Ti (6. 2nm)/Ti02(0. 16nm)/Si結(jié)構(gòu)中的橫向光伏靈敏度可達(dá)到113mV/mm,這要比Ti (6. 2nm) /TiO2 (I. 2nm) /Si結(jié)構(gòu)中的4. OmV/mm的靈敏度大得多，甚至它比Ti (6. 2nm)/Si結(jié)構(gòu)中的40. OmV/mm的靈敏度還要大。這意味著,在這種情況下，超薄的SiO2氧化物層不再起到減小橫向光伏的勢壘的作用了。為了全面的研究氧化物層13的橫向光伏效應(yīng)，我們選擇不同的SiO2氧化物層的厚度，厚度從O. 06nm到O. 32nm 來測量橫向光伏效應(yīng)，圖15清楚地顯示了一個合適的SiO2氧化物層的厚度(O. 16nm,圖15 中所示的aopt)，對于在金屬-氧化物-半導(dǎo)體材料中獲得大的橫向光伏是至關(guān)重要的。事實上，SiO2氧化物層在這種情況下已經(jīng)小于一個分子層，這意味著氧化物分子不能完全的覆蓋在半導(dǎo)體襯底11上。所以，在本實用新型，制作所述氧化物層13時，所述氧化物層13 的厚度選取的范圍為I. OnnTl. 5nm或O. 06nnT0. 32nm。具體在本實施例中所述氧化物層13 的厚度為O. 16nm,以獲得大的橫向光伏效應(yīng)。[0079]綜上所述，本實用新型的一種光電位移傳感器，具有以下有益效果[0080]I、本實用新型通過將金屬薄膜層作為光電位置傳感器的光響應(yīng)面，相對于目前的光電位移傳感器來說，顯著提高和改善光電位移傳感器的線性度和靈敏度。[0081]2、本實用新型通過設(shè)置光電位置傳感器中金屬薄膜層的厚度、氧化物層的厚度以及金屬薄膜層中的金屬，使得光電位置傳感器的線性度和靈敏度達(dá)到最優(yōu)。[0082]3、本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。[0083]所以，本實用新型有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。[0084]上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用于限制本實用新型。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本實用新型的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本實用新型所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本實用新型的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求1.一種光電位移傳感器，其特征在于，至少包括半導(dǎo)體襯底；形成于所述半導(dǎo)體襯底上的金屬薄膜層；分別設(shè)置在所述金屬薄膜層兩端的第一電極和第二電極；分別與所述第一電極和第二電極連接的第一電極引線和第二電極引線。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光電位移傳感器，其特征在于所述金屬薄膜層的厚度為 lnm 50nmo
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電位移傳感器，其特征在于所述金屬薄膜層的厚度為.5.9nm 7· Onm0
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的光電位移傳感器，其特征在于所述金屬薄膜層包括單一金屬或金屬合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光電位移傳感器，其特征在于所述單一金屬為Ti、Co或Cu。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光電位移傳感器，其特征在于還包括形成在所述半導(dǎo)體襯底和所述金屬薄膜層之間的氧化物層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電位移傳感器，其特征在于所述氧化物層為氧化物半導(dǎo)體層或金屬氧化物層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光電位移傳感器，其特征在于所述氧化物半導(dǎo)體層為SiO2 氧化物層或NiO氧化物層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光電位移傳感器，其特征在于所述金屬氧化物層為TiO2氧化物層。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電位移傳感器，其特征在于所述氧化物層的厚度范圍為.0.lnm 138nm0
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電位移傳感器，其特征在于所述氧化物層的厚度范圍為.1.0nm l. 5nm 或 O. 06nm O. 32nm。
12.根據(jù)權(quán)利要求I或6所述的光電位移傳感器，其特征在于所述第一電極和所述第二電極之間的距離范圍為O. 5mnTl5· 0mm。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光電位移傳感器，其特征在于所述第一電極和所述第二電極之間的距離范圍為I. 5mnT5· 0mm。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光電位移傳感器，其特征在于還包括分別設(shè)置在所述金屬薄膜層另外兩端的第三電極和第四電極以及分別與所述第三電極和第四電極連接的第三電極引線和第四電極引線；所述第一電極和所述第二電極的連線與所述第三電極和所述第四電極的連線相垂直。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光電位移傳感器，其特征在于所述的第一電極、所述第二電極、所述第三電極和所述第四電極采用金、銀、鋁、銅、鉬、銦或錫金金屬材料，制成一個點或是一條線。
專利摘要本實用新型提供一種光電位移傳感器，至少包括半導(dǎo)體襯底；形成于所述半導(dǎo)體襯底上的金屬薄膜層；分別設(shè)置在所述金屬薄膜層兩端的第一電極和第二電極；分別與所述第一電極和第二電極連接的第一電極引線和第二電極引線；所述金屬薄膜層包括單一金屬或金屬合金；本實用新型還可以包括形成在所述半導(dǎo)體襯底和所述金屬薄膜層之間的氧化物層；所述氧化物層為氧化物半導(dǎo)體層或金屬氧化物層。本實用新型通過將金屬薄膜層作為光電位置傳感器的光響應(yīng)面，相對于目前的光電位移傳感器來說，可以顯著提高和改善光電位移傳感器的線性度和靈敏度，同時本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。
文檔編號G01B11/02GK202814345SQ20122044345
公開日2013年3月20日 申請日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者王輝, 俞崇祺, 黃旭 申請人:上海交通大學(xué)