CN102213611A

CN102213611A - 一种探测次声波的方法

Info

Publication number: CN102213611A
Application number: CN 201010145207
Authority: CN
Inventors: 徐静波; 张海英
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2011-10-12

Abstract

本发明公开了一种探测次声波的方法，该方法包括：步骤1：在衬底表面生长氧化介质；步骤2：在生长的氧化介质上制作底层电极；步骤3：超声降解一维压电纳米材料；步骤4：选择合适尺度的纳米线，使其固有频率处于次声波频率范围内，再将一维压电纳米材料精确组装在底层电极上；步骤5：在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的顶层电极；步骤6：将器件固定在高真空腔体内；步骤7：将正负电极经过导线引出腔体；步骤8：在电极上施加电压并监测电流。本发明利用一维纳米材料的固有频率和纳米压电器件特性，经过上述工艺流程，达到了探测次声波的目的，为今后纳米技术在声学领域的应用提供了新思路。

Description

一种探测次声波的方法

技术领域

本发明涉及纳米材料、器件及其声学应用技术领域，尤其涉及一种探测次声波的方法。

背景技术

次声波是指频率为0.0001～20Hz的声波，人耳通常听不到这个频率范围内的声音。

在自然界中，海上风暴、海啸、波浪击岸、水中漩涡、电闪雷鸣、空中湍流、龙卷风、火山爆发、陨石坠落、磁暴、极光等自然现象都可能伴有次声波。而在人类活动中，诸如核爆炸、导弹飞行、火炮发射、轮船航行、汽车急驰、高楼和大桥摇晃，甚至像鼓风机、搅拌机、扩音喇叭等也都可以产生次声波。

由于次声波的频率范围和人体各部位的脉动频率相近(如内脏为4～6Hz，头部为8～12Hz等)，一旦大功率的次声波作用于人体，将会引起人体强烈的共振，从而造成极大的伤害。

精确探测次声波在灾害预测和人体健康等方面都有重要的意义。因此，如何精确探测次声波成为一项具有挑战性的研究工作。

物质都有各自的固有频率，一旦外界激励信号的频率接近其固有频率，该物质将产生共振。2007年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的A.ZETTL等人利用碳纳米管(CNT)制成了迄今为止世界上最小的收音机——纳米收音机，该收音机由一根CNT及电极组成，可以发出MHz频率的音频信号，其最为显著的特点在于：将传统收音机中需要独立部件实现的各个功能(天线、调谐器、放大器和解调器等等)，全部由一根CNT实现，这其中就利用了当输入信号和CNT固有频率接近时CNT产生共振的原理。

一维纳米材料的固有频率与其自身材料特性及偏置电压等条件有关。通过选择合适的一维纳米材料(长度、直径、杨氏模量、密度等)，有望使一维纳米材料的固有频率降至次声波频率范围。当外界环境产生的次声波作用于这样的一维纳米材料时，由于两者的频率相近，一维纳米材料将产生共振现象。

压电效应是指某些电介质晶体在沿特定方向的压力作用下，会在其两端分别出现正负电荷分布，从而在其内部形成电场的现象。压电效应已被广泛应用于晶体振荡器、电声器件、超声波发生器等领域。

如果选择具有压电效应的一维纳米材料(如ZnO纳米线)，用于探测次声波，其优势在于：一维压电纳米材料不仅和其它一维纳米材料一样，能够产生共振之外；而且由于共振时，一维压电纳米材料将进行周期性振荡，即一维压电纳米材料发生形变。与一维压电纳米材料处于静止状态相比，振荡一维压电纳米材料的电性能将发生变化。

以本征ZnO纳米线为例，探测次声波的器件结构示意图以及工作原理图如图2所示。

图2(a)为器件结构示意图。Si衬底上生长SiO₂氧化介质；在SiO₂氧化介质上制作底层电极；将ZnO纳米线(水平方向为c轴)的两端精确组装在底层电极上；在底层电极上制作覆盖ZnO纳米线的顶层电极；本征ZnO纳米线内存在自由电子(e-)，呈N型导电特性；并且ZnO纳米线的固有频率在次声波频率范围内。

图2(b)、图2(c)和图2(d)为器件工作原理图。器件置于密封腔体内，腔体内为高真空环境。正负电极之间施加电压，监测流过ZnO纳米线的电流变化。ZnO纳米线可以看作两端固定的一根纳米悬浮梁。当外界激励信号频率f₀接近ZnO纳米线的固有频率时，ZnO纳米线将产生共振，进行周期性振荡。

当ZnO纳米线的向下弯曲时，如图2(b)所示，产生压电效应，在纳米线伸展一侧积累正电荷，而在压缩一侧出现等量负电荷，形成压电极化电场。如果纳米线形变情况不改变，这些由压电效应产生的压电极化电荷是固定的，不会移动或者复合。对于N型ZnO纳米线来说，纳米线伸展一侧的正电荷将吸附纳米线内的自由电子(e-)。当ZnO纳米线形变至一定程度时，将产生足够的压电极化电荷，耗尽全部自由电子，相当于起到了常规场效应晶体管栅电极的作用，此时ZnO纳米线沟道处于截止状态。

当纳米线恢复平衡位置时，如图2(c)所示，压电电荷消失，ZnO纳米线内的自由电子在源漏电压的作用下定向移动，ZnO纳米线沟道处于开启状态。

与纳米线向下弯曲的情形相似，当ZnO纳米线向上弯曲时，如图2(d)所示，也会产生由形变导致的压电电荷，耗尽ZnO纳米线内的自由电子，使得沟道截止。

由此可知，当ZnO纳米线向上或向下弯曲时，产生压电效应，由形变导致的压电电荷将吸附ZnO纳米线内的自由电子，使得流过ZnO纳米线的电流减少或者截止。当ZnO纳米线恢复平衡状态时，压电效应消失，流过ZnO纳米线的电流恢复正常值。

结合一维压电纳米材料的共振原理和压电效应，能够实现精确探测次声波。选择合适的一维压电纳米材料，使其固有频率处于次声波频率范围。实时监测流过一维压电纳米材料的电流，当电流值发生大幅度变化时，说明腔体内的一维压电纳米材料正在发生形变。排除其它导致形变的因素后，就能够判断腔体内的一维压电纳米材料受到外界次声波的作用，发生了共振，从而实现精确探测次声波的目的。

综上所述，利用一维压电纳米材料的共振原理和压电效应探测次声波是一项全新的研究工作，在纳米力学、声学、电子学等领域具有广阔的科学研究价值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

精确探测次声波在灾害预测和人体健康等方面都有重要的意义，如何精确探测次声波成为一项具有挑战性的研究工作。

本发明利用一维压电纳米材料的共振原理和压电效应探测次声波。这是一项全新的研究工作，尚未见相关报道，因此，试验装置的制作成为一项需要探索的工作。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种探测次声波的方法，该方法包括：

步骤1：在衬底表面生长氧化介质；

步骤2：在生长的氧化介质上制作底层电极；

步骤3：超声降解一维压电纳米材料；

步骤4：选择合适尺度的纳米线，使其固有频率处于次声波频率范围内，再将一维压电纳米材料精确组装在底层电极上；

步骤5：在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的顶层电极；

步骤6：将器件固定在高真空腔体内；

步骤7：将正负电极经过导线引出腔体；

步骤8：在电极上施加电压并监测电流。

上述方案中，所述步骤1包括：采用等离子体增强化学气相沉积技术，在Si衬底正面生长一层SiO₂介质，实现Si衬底与后续制作的电极之间，以及Si衬底与组装的一维压电纳米材料之间的隔离。

上述方案中，所述步骤2包括：采用微电子制作工艺，经光刻、蒸发金属、剥离工艺，在生长的氧化介质上制作规则的电极，作为底层电极。

上述方案中，所述步骤3包括：将生长一维压电纳米材料的基片浸泡于异丙酮溶液中，采用超声降解技术，使一维压电纳米材料从生长基片表面脱落，悬浮于异丙酮溶液，一维压电纳米材料被分散在溶液内，以减少相互缠绕。

上述方案中，所述步骤4包括：将含有一维压电纳米材料的异丙酮溶液滴于Si器件衬底的正面；选择合适尺度的纳米线(直径、长度)，使得其固有频率处于次声波频率范围内；然后利用纳米操控平台及技术，将一维压电纳米材料的两端分别精确组装在两个底层电极上，这两个底层电极分别作为底层正负电极，使得组装在底层正负电极之间的一维压电纳米材料处于悬浮状态。

上述方案中，所述步骤5包括：采用微电子制作工艺，经光刻、蒸发金属、剥离工艺，在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的电极作为顶层电极，顶层电极金属、底层电极金属与一维压电纳米材料为欧姆接触。

上述方案中，所述步骤6包括：将器件固定于腔体内，并在腔体内实现高真空，为一维压电纳米材料提供无阻尼振动环境。

上述方案中，所述步骤7包括：利用引线键合技术，在固定于高真空腔体内器件的正负电极处连接导线，并引出腔体。

上述方案中，所述步骤8包括：通过导线，在正负电极上施加电压，并监测电流变化。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种探测次声波的方法，包括在衬底表面生长氧化介质、在生长的氧化介质上制作底层电极、超声降解一维压电纳米材料、将一维压电纳米材料精确组装在底层正负电极之间、在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的顶层电极、固定在高真空腔体内、将正负电极经过导线引出腔体、在电极上施加电压并监测电流。本发明利用一维纳米材料的固有频率和纳米压电器件特性，经过上述工艺流程，达到了探测次声波的目的。本发明为今后纳米技术在声学领域的应用提供了新思路。

附图说明

图1是本发明提供的探测次声波的方法流程图；

图2是本发明提供的利用ZnO纳米线探测次声波的器件结构示意图以及工作原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的探测次声波的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：在衬底表面生长氧化介质。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，在Si衬底正面生长一层氧化介质(如SiO2介质)，实现Si衬底和后续制作的电极、组装的一维压电纳米材料之间的隔离。

步骤2：在生长的氧化介质上制作底层电极。采用微电子制作工艺，经光刻、蒸发金属、剥离等工艺，在生长的氧化介质上制作规则的电极，作为底层电极。

步骤3：超声降解一维压电纳米材料(如ZnO纳米线)。将生长一维压电纳米材料的基片浸泡于异丙酮溶液中，采用超声降解技术，使一维压电纳米材料从生长基片表面脱落，悬浮于异丙酮溶液。一维压电纳米材料被分散在溶液内，以减少相互缠绕。

步骤4：选择合适尺度的纳米线，使其固有频率处于次声波频率范围内，再将一维压电纳米材料精确组装在底层电极上。将含有一维压电纳米材料的异丙酮溶液滴于Si器件衬底的正面；选择合适尺度的纳米线(直径、长度)，使得其固有频率处于次声波频率范围内；然后利用纳米操控平台及技术，将一维压电纳米材料的两端分别精确组装在两个底层电极上，分别作为底层正负电极；使得组装在底层正负电极之间的一维压电纳米材料处于悬浮状态。

步骤5：在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的顶层电极。采用微电子制作工艺，经光刻、蒸发金属、剥离等工艺，在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的电极，作为顶层电极。顶层和底层电极金属和一维压电纳米材料为欧姆接触，提供了良好的电气连接，同时起到了固定悬浮一维压电纳米材料的作用。

步骤6：将器件固定在高真空腔体内。将器件固定于腔体内，并在腔体内实现高真空，为一维压电纳米材料提供无阻尼振动环境。

步骤7：将正负电极经过导线引出腔体。利用引线键合技术，在固定于高真空腔体内器件的正负电极处连接导线，并引出腔体。

步骤8：在电极上施加电压并监测电流。通过导线，在正负电极上施加电压，并监测电流变化。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种探测次声波的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：在衬底表面生长氧化介质；

步骤2：在生长的氧化介质上制作底层电极；

步骤3：超声降解一维压电纳米材料；

步骤6：将器件固定在高真空腔体内；

步骤7：将正负电极经过导线引出腔体；

步骤8：在电极上施加电压并监测电流。

2.根据权利要求1所述的探测次声波的方法，其特征在于，所述步骤1包括：采用等离子体增强化学气相沉积技术，在Si衬底正面生长一层SiO₂介质，实现Si衬底与后续制作的电极之间，以及Si衬底与组装的一维压电纳米材料之间的隔离。

3.根据权利要求1所述的探测次声波的方法，其特征在于，所述步骤2包括：采用微电子制作工艺，经光刻、蒸发金属、剥离工艺，在生长的氧化介质上制作规则的电极，作为底层电极。

4.根据权利要求1所述的探测次声波的方法，其特征在于，所述步骤3包括：将生长一维压电纳米材料的基片浸泡于异丙酮溶液中，采用超声降解技术，使一维压电纳米材料从生长基片表面脱落，悬浮于异丙酮溶液，一维压电纳米材料被分散在溶液内，以减少相互缠绕。

5.根据权利要求1所述的探测次声波的方法，其特征在于，所述步骤4包括：将含有一维压电纳米材料的异丙酮溶液滴于Si器件衬底的正面；选择合适尺度的纳米线(直径、长度)，使得其固有频率处于次声波频率范围内；然后利用纳米操控平台及技术，将一维压电纳米材料的两端分别精确组装在两个底层电极上，这两个底层电极分别作为底层正负电极，使得组装在底层正负电极之间的一维压电纳米材料处于悬浮状态。

6.根据权利要求1所述的探测次声波的方法，其特征在于，所述步骤5包括：采用微电子制作工艺，经光刻、蒸发金属、剥离工艺，在底层电极之上制作覆盖一维压电纳米材料的电极作为顶层电极，顶层电极金属、底层电极金属与一维压电纳米材料为欧姆接触。

7.根据权利要求1所述的探测次声波的方法，其特征在于，所述步骤6包括：将器件固定于腔体内，并在腔体内实现高真空，为一维压电纳米材料提供无阻尼振动环境。

8.根据权利要求1所述的探测次声波的方法，其特征在于，所述步骤7包括：利用引线键合技术，在固定于高真空腔体内器件的正负电极处连接导线，并引出腔体。

9.根据权利要求1所述的探测次声波的方法，其特征在于，所述步骤8包括：通过导线，在正负电极上施加电压，并监测电流变化。