專利名稱：一種真空壓強(qiáng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真空壓強(qiáng)傳感器，具體涉及一種基于半導(dǎo)體納米線垂直陣列的真空壓強(qiáng)傳感器。
背景技術(shù)：
真空壓強(qiáng)傳感器是真空科學(xué)研究與真空測試技術(shù)中的重要器件，廣泛應(yīng)用于真空鍍膜、航空航天、生物科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)過程控制等領(lǐng)域。目前使用較多真空壓強(qiáng)傳感器主要為基于熱散逸的皮拉尼壓強(qiáng)傳感器，然而這類傳感器功耗大、不便于集成的特點(diǎn)使得它逐漸不適應(yīng)于現(xiàn)代電路集成化的要求(Sens.Actuators, A 156 (2009) 201-207);場發(fā)射傳感器由于其高的電壓和大的功耗的要求而受到限制(Vacuum 84 (2009) 713-717);基于MEMS技術(shù)的真空壓強(qiáng)傳感器雖然解決了上述問題，但是由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和繁瑣的工藝流程而使得成本提高(Sens.Actuators, A 135 (2007) 507-514)。因此，制備新的更有效的真空壓強(qiáng)傳感器是現(xiàn)代傳感技術(shù)向更微小化、更集成化發(fā)展的要求。低維納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體金屬氧化物，尤其是ZnO半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，其優(yōu)越的光學(xué)、力學(xué)、電學(xué)和氣敏特性使其在電子學(xué)、光電子學(xué)和微納電子中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，因而受到廣泛的關(guān)注(Chem.Phys.Lett.357 (2002) 314-318)。將低維納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料應(yīng)用于真空壓強(qiáng)傳感器，有可能獲得具有良好的傳感性能。2004年，李等人報(bào)道了 ZnO納米線對氧壓強(qiáng)具有敏感性能(Appl.Phys.Lett.84 (2004) 4556-4558)，在此基礎(chǔ)上，鄭等人報(bào)道了一種基于ZnO納米帶膜的真空壓強(qiáng)傳感器(Nanotechnology 22 (2011) 435501)。但是，這類傳感器響應(yīng)電流小，不易應(yīng)用于實(shí)際測量電路。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種ZnO納米線陣列真空壓強(qiáng)傳感器，其利用了半導(dǎo)體納米線陣列對大氣中的氧分子的吸附作用，實(shí)現(xiàn)對真空壓強(qiáng)的測量，同時(shí)，ZnO納米線陣列由于其大的比表面積而具有良好的傳感性能，相比起傳統(tǒng)的的真空壓強(qiáng)傳感器，擁有寬的測量范圍寬度、大的響應(yīng)電流、高靈敏度。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:一種基于半導(dǎo)體納米線垂直陣列的真空壓強(qiáng)傳感器，包括:一片基底；一層半導(dǎo)體薄膜；一個(gè)半導(dǎo)體納米線陣列；以及兩片電極，其中，半導(dǎo)體薄膜粘合在所述基底上，半導(dǎo)體納米線陣列貫穿半導(dǎo)體薄膜垂直粘合在基底上，兩片電極固定于半導(dǎo)體納米線陣列頂部。進(jìn)一步，本發(fā)明的真空壓強(qiáng)傳感器，還可以具有這樣的特征:
基底為藍(lán)寶石基底。進(jìn)一步，本發(fā)明的真空壓強(qiáng)傳感器，還可以具有這樣的特征:半導(dǎo)體薄膜為ZnO薄膜。進(jìn)一步，本發(fā)明的真空壓強(qiáng)傳感器，還可以具有這樣的特征:半導(dǎo)體納米線陣列組成為ZnO納米線。另外，本發(fā)明的真空壓強(qiáng)傳感器，還可以具有這樣的特征:兩片電極為Au電極。發(fā)明的作用與效果根據(jù)本發(fā)明涉及的真空壓強(qiáng)傳感器，以ZnO納米線陣列作為敏感材料，通過微電子工藝在其頂端制作電極，納米線陣列作為敏感材料，感應(yīng)外部大氣壓強(qiáng)的變化，引起內(nèi)部響應(yīng)電流的變化，通過外部設(shè)備對電路中電流的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對真空壓強(qiáng)的測量。由于ZnO具有的高比表面積，本發(fā)明的真空壓強(qiáng)傳感器所產(chǎn)生的響應(yīng)電流比基于半導(dǎo)體納米帶膜的傳感器提高了三個(gè)數(shù)量級，電阻降低了三個(gè)數(shù)量級，輸出電流大，測量范圍寬，靈敏度高。


圖1為本發(fā)明的真空壓強(qiáng)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的真空壓強(qiáng)傳感器的測試裝置圖；圖3為實(shí)施例中真空壓強(qiáng)傳感器在不同真空壓強(qiáng)條件下的伏安特性曲線；圖4為實(shí)施例中真空壓強(qiáng)傳感器的電阻隨壓強(qiáng)變化曲線；圖5為實(shí)施例中真空壓強(qiáng)傳感器的功耗隨壓強(qiáng)變化曲線；圖6為實(shí)施例中真空壓強(qiáng)傳感器的電流對時(shí)間的響應(yīng)曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖在實(shí)施例中對本發(fā)明的真空壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行詳細(xì)闡述。圖1為真空傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實(shí)施例的真空壓強(qiáng)傳感器，包括:一片尺寸為3mmX 3mm的藍(lán)寶石基底I, 一層ZnO半導(dǎo)體薄膜2, —個(gè)ZnO半導(dǎo)體納米線陣列3，以及兩片Au電極4。其中，ZnO半導(dǎo)體薄膜2粘合在基底I上，ZnO半導(dǎo)體納米線陣列3貫穿半導(dǎo)體薄膜2垂直粘合在基底I上，兩片Au電極4固定于半導(dǎo)體納米線陣列3頂部。ZnO納米線的長度為3 5 μ m,直徑為lOOnm，密度為20根/ μ m2，Au電極的面積為0.1mm20其制備過程如下:第一步，以1:1比例均勻混合的半導(dǎo)體粉末和碳粉為原料，采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法在藍(lán)寶石基底上同時(shí)生長ZnO半導(dǎo)體納米線垂直陣列和一層ZnO半導(dǎo)體薄膜，最終Zn0半導(dǎo)體薄膜和Zn0半導(dǎo)體納米線都粘合在藍(lán)寶石基底上。第二步，利用勻漿機(jī)將PMMA作為有機(jī)填充物均勻填充至半導(dǎo)體納米線垂直陣列中。第三步，通過氧離子刻蝕方法刻蝕掉部分PMMA，使ZnO半導(dǎo)體納米線垂直陣列頂部露出。第四步，通過掩膜和電子束蒸發(fā)方法，將兩片Au電極粘合在半導(dǎo)體納米線垂直陣列頂端，與ZnO納米線陣列直接接觸。第五步，將丙酮和四氫呋喃這兩種揮發(fā)性有機(jī)溶劑溶解填充在半導(dǎo)體納米線陣列間的剩余PMMA，最終得到基于ZnO半導(dǎo)體納米線陣列的真空壓強(qiáng)傳感器。圖2是真空壓強(qiáng)傳感器8的測試裝置圖。如圖2所示，真空壓強(qiáng)傳感器8置于真空腔5內(nèi)；兩個(gè)探針7與傳感器8上的兩個(gè)Au電極相連接，并通過真空腔5內(nèi)的螺旋控制器6與連接到外部的導(dǎo)線13相連接，導(dǎo)線13連接到半導(dǎo)體參數(shù)測試儀11上，半導(dǎo)體參數(shù)測試儀11用于測試真空壓強(qiáng)傳感器8的伏安特性和時(shí)間響應(yīng)特性；分子泵9連接到真空腔5上，其用來調(diào)節(jié)真空腔5內(nèi)的壓強(qiáng)，分子泵9上的真空計(jì)10同步顯示真空腔5內(nèi)壓強(qiáng)的大小，分子泵9與真空腔5之間有閥門12。啟動(dòng)分子泵9降低真空腔5內(nèi)壓強(qiáng)的同時(shí)，利用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀11測試真空壓強(qiáng)傳感器8的伏安特性和時(shí)間響應(yīng)特性。圖3是真空壓強(qiáng)傳感器在不同真空壓強(qiáng)條件下的伏安特性曲線。利用分子泵設(shè)定不同的真空壓強(qiáng)，在不同壓強(qiáng)下采用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測得ZnO納米線陣列真空壓強(qiáng)傳感器的伏安特性和時(shí)間響應(yīng)特性。在某一壓強(qiáng)下，若隨著電壓的增力口，半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測得電流線性增加，則表明真空傳感器傳感器具有阻尼性。如圖3 所示，在電壓為 IOV 時(shí)，分別在 1.0XlO3U.1 X 10'2.0 X 10_2、8.0 X 10_4、
5.0X IO-5 mbar的壓強(qiáng)下測得真空壓強(qiáng)傳感器的伏安特性曲線。從圖中可以看出，隨著壓強(qiáng)的降低，真空壓強(qiáng)傳感器的響應(yīng)電流增加，在LOXlO3U.1 X 10'2.0X 10_2、8.0X 10_4、
5.0X Kr5 mbar的壓強(qiáng)下電流分別為18.4,41.5,57.8、107和259 μ Α,比ZnO納米帶膜的真空壓強(qiáng)傳感器高3個(gè)數(shù)量級。同時(shí)，ZnO納米線陣列的真空壓強(qiáng)傳感器的測量范圍為l(TlO-5mbar，比傳統(tǒng)的皮拉尼、場發(fā)射、MEMS真空傳感器至少寬一個(gè)數(shù)量級。并且，已知靈敏度公式S= (Iv-1a)/Ia (其中，Iv為真空壓強(qiáng)下的響應(yīng)電流，Ia為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的響應(yīng)電流)，根據(jù)ZnO納米線陣列的真空壓強(qiáng)傳感器的IOV電壓下的電流，可以得到本實(shí)施例的真空壓強(qiáng)傳感器在1.1XIO'2.0X10_2、8.0X10_4、5.0X10_5 mbar的壓強(qiáng)下的靈敏度分別為1.26,2.19,4.82和13.08。圖4是真空壓強(qiáng)傳感器的電阻隨壓強(qiáng)變化曲線。如圖4 所示，在電壓為 IOV 時(shí)，在 1.0XlO3U.1 X 10'2.0 X 10_2、8.0 X 10_4、
5.0X IO-5 mbar的壓強(qiáng)下，ZnO納米線陣列的真空壓強(qiáng)傳感器的電阻分別為543、241、173、93.5、38.6ΚΩ，比ZnO納米帶膜的真空壓強(qiáng)傳感器低3個(gè)數(shù)量級。圖5是真空壓強(qiáng)傳感器的功耗隨壓強(qiáng)變化曲線。如圖5 所示，在電壓為 IOV 時(shí)，在 1.0XlO3U.1 X 10'2.0 X 10_2、8.0 X 10_4、
5.0X IO-5 mbar的壓強(qiáng)下，ZnO納米線陣列的真空壓強(qiáng)傳感器的功耗分別為0.18、0.42、0.58、1.07和2.59 mW，遠(yuǎn)低于基于場發(fā)射、熱散逸和MEMS的真空壓強(qiáng)傳感器。圖6是真空壓強(qiáng)傳感器的電流對時(shí)間的響應(yīng)曲線。如圖6所示，經(jīng)過在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)下60s的穩(wěn)定時(shí)間后，啟動(dòng)分子泵降低大氣壓強(qiáng)，180s后壓強(qiáng)降至5X10_2 mbar，隨即停止分子泵保持壓強(qiáng)穩(wěn)定100s，然后打開閥門，使真空泵內(nèi)的壓強(qiáng)約在20s內(nèi)恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，繼續(xù)保持標(biāo)準(zhǔn)大氣壓180s。從圖中可以看出，隨著壓強(qiáng)的降低，電流不斷增大；當(dāng)壓強(qiáng)升高時(shí)，電流隨即下降。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，電流為最低，約為19 μ A,壓強(qiáng)最低為5X10_2 mbar時(shí)，電流為最高,約為37 μ A。當(dāng)壓強(qiáng)降低時(shí)，電流隨之增大，電流上升時(shí)間為180s，等于壓強(qiáng)變化的時(shí)間，這是由于分子泵降低壓強(qiáng)是一個(gè)緩慢的過程，電流的變化能夠跟上壓強(qiáng)的變化；當(dāng)壓強(qiáng)上升時(shí)，電流隨之減小，電流下降的時(shí)間為110s，大于壓強(qiáng)變化時(shí)間20s，這是由于壓強(qiáng)變化足夠快，電流的變化跟不上壓強(qiáng)的變化，其遲滯時(shí)間為90s。按照前一個(gè)循環(huán)的變化，進(jìn)行了第二個(gè)循環(huán)的測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第二個(gè)循環(huán)的結(jié)果和第一個(gè)幾乎完全一樣，表明本實(shí)施例的真空壓強(qiáng)傳感器具有良好的可重復(fù)性。實(shí)施例的作用與效果根據(jù)本實(shí)施例涉及的基于ZnO納米線陣列的真空壓強(qiáng)傳感器，其通過采用ZnO半導(dǎo)體納米線垂直陣列作為敏感材料，電流比基于半導(dǎo)體納米帶膜的傳感器提高三個(gè)數(shù)量級，電阻降低三個(gè)數(shù)量級，具有寬量程、高靈敏度和低功耗的特點(diǎn)。該類傳感器基于納米材料制備，更加便于器件的微型化和集成化，在在高微型化、高集成度的微電子傳感器中具有廣泛的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種基于半導(dǎo)體納米線垂直陣列的真空壓強(qiáng)傳感器，其特征在于，包括:一片基底;一層半導(dǎo)體薄膜；一個(gè)半導(dǎo)體納米線陣列；以及兩片電極，其中，所述半導(dǎo)體薄膜粘合在所述基底上，所述半導(dǎo)體納米線陣列貫穿所述半導(dǎo)體薄膜垂直粘合在所述基底上，所述兩片電極固定于所述半導(dǎo)體納米線陣列頂部。
2.如權(quán)利要求1所述的真空壓強(qiáng)傳感器，其特征在于:所述基底為藍(lán)寶石基底。
3.如權(quán)利要求1所述的真空壓強(qiáng)傳感器，其特征在于:所述半導(dǎo)體薄膜為ZnO薄膜。
4.如權(quán)利要求1所述的真空壓強(qiáng)傳感器，其特征在于:所述半導(dǎo)體納米線陣列組成為ZnO納米線。
5.如權(quán)利要求1所述的真空壓強(qiáng)傳感器，其特征在于:所述兩片電極為Au電極。
全文摘要
一種真空壓強(qiáng)傳感器，包括 一片基底；一層半導(dǎo)體薄膜；一個(gè)半導(dǎo)體納米線陣列；以及兩片電極，其中，所述半導(dǎo)體薄膜粘合在所述基底上，所述半導(dǎo)體納米線陣列貫穿所述半導(dǎo)體薄膜垂直粘合在所述基底上，所述兩片電極固定于所述半導(dǎo)體納米線陣列頂部。
文檔編號G01L21/00GK103207046SQ20131010626
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者鄭學(xué)軍, 王現(xiàn)英, 程宏斌, 謝澍梵 申請人:上海理工大學(xué)