CN102680147A

CN102680147A - 基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件

Info

Publication number: CN102680147A
Application number: CN2012100584244A
Authority: CN
Inventors: 李孟委; 刘俊; 杜康; 王莉; 李锡广
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-07
Also published as: CN102680147B

Abstract

一种基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件，主要由固定基座、悬臂梁、约瑟夫逊器件、压敏电阻、频率检测电路、频谱分析仪组成，悬臂梁的一端连接于固定基座，悬臂梁的根部掺杂有压敏电阻，固定基座与悬臂梁连接的邻近区域也掺杂有压敏电阻，固定基座上还制作有约瑟夫逊器件，约瑟夫逊器件由硅衬底层、二氧化硅层、铅层、氧化铅层、铜层、铅层组成，此检测方法将约瑟夫逊结对电压的超灵敏性应用于压阻式器件的电压信号的检测，将直流能量信号转变成交流能量信号，通过对交流能量信号的频率检测即可实现对微小电压信号的检测，其分辨率可比传统压阻式信号检测方法提高2-3数量级，检测方便、数据翔实可靠，是一种十分新颖的压阻式电压信号的检测方法。

Description

基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件

技术领域

本发明涉及一种基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件，属微机械电子技术领域。

背景技术

压阻式传感器是利用单晶硅材料的压阻效应实现的。当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能级向另一个能级散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。由于压阻的变化量与应变成正比，因此压阻一般布置在柔性结构表面上，以获得更大的变形。由于压阻阻值的变化很小，因此需要额外电桥电路来测量电阻的微小相对变化。据文献显示，传统上用外电路检测硅压阻效应能够分辨的电压为微伏级，而且硅压阻传感器往往是通过降低抗过载能力以提高器件灵敏度的，所以高灵敏度伴随着量程小、带宽窄的缺点。

约瑟夫逊效应是电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层(厚度约10)时发生的量子力学隧道效应。一个约瑟夫逊结由两块超导体中间夹一层薄的绝缘层就形成了，绝缘层在1nm量级以保证量子效应显著。绝缘层内的电势比超导体中的电势低得多，对电子的运动形成“势垒”。超导体中的电子的能量不足以使它通过这势垒，所以宏观上不能有电流通过。但量子力学原理指出，即使对于相当高的势垒，能量较小的电子也能有一定的概率透射，当“势垒”宽度逐渐减小时，这种透射的概率将随之增大，在1nm量级，这种透射的概率已经很可观了。这种电子对通过超导的约瑟夫逊结中势垒隧道而形成超导电流的现象叫超导隧道效应，也叫约瑟夫逊效应。

为了解决传统传感器检测灵敏度低、带宽窄、小量程等问题，本发明采用了把约瑟夫逊结和压阻器件的集成的结构和方法，来提高微尺度下压阻式器件的检测灵敏度，实现宽带宽、大量程、高过载、高灵敏度的性能。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的不足，发明了一种基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件，来提高微尺寸下压阻式器件的检测灵敏度，实现在保证超灵敏度检测的前提下来实现压阻式器件的大量程、高过载、高带宽的性能。

技术方案

本发明主要由：固定基座、悬臂梁、约瑟夫逊器件、压敏电阻组成；固定基座1的一端连接于悬臂梁2的根部，悬臂梁2的邻近根部区域掺杂有压敏电阻5、6，在固定基座1上邻近悬臂梁2连接处的区域掺杂有压敏电阻4、7，压敏电阻4、7的上部区域制作有约瑟夫逊器件3。

所述的约瑟夫逊器件3由硅衬底、二氧化硅层、超导金属层、超导金属层、约瑟夫逊结、电压输入正极、电压输入负极、电流输出正极、电流输出负极组成；在硅衬底9上制作有二氧化硅层10，二氧化硅层10上淀积有超导金属层11，超导金属层11上制作有约瑟夫逊结13，约瑟夫逊结13上淀积有超导金属层12，超导金属层11的两端连接有电压输入正极14、电流输出负极17，超导金属层12的两端连接有电压输入负极15、电流输出正极16。

所述的约瑟夫逊器件3的结构材料层由硅衬底层、二氧化硅层、铅层、氧化铅层、铜层、铅层组成；在硅衬底层18上制作有二氧化硅层19、即SiO₂层，在二氧化硅层19上制作有铅层20、即Pb层，在铅层20上制作有氧化铅层21、即PbO层，在氧化铅层21上制作有制作有铜层22、即Cu层，在铜层22上制作有铅层23、即Pb层。

所述的压敏电阻4、5、6、7结构尺寸相同，掺杂浓度相同，即阻值大小相同。

所述的约瑟夫逊器件3采用S-I-N-S结构，即超导金属-绝缘层-正常金属-超导金属。

所述的压敏电阻4、5、6、7连接成惠斯通电桥电路，其桥路输出端连接于约瑟夫逊器件3的电压输入正极14、电压输入负极15，约瑟夫逊器件3的电流输出正极16、电流输出负极17连接于频率检测电路，频率检测电路的信号输出到频谱分析仪。

所述的基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件超灵敏检测方法，可广泛应用于多种力环境的检测，如惯性力、哥氏力、压力、静电力、磁场力等。

检测原理

在微弱机械力的扰动下，悬臂梁根部制作的压敏电阻将力学信号转变成电学信号，将压敏电阻组成的惠斯通电桥电路的输出电压加载于约瑟夫逊结器件两端，在有限微小电压的作用下，就有一交变电流在约瑟夫逊结内往返流动，因此通过约瑟夫逊结可以将直流能量转变为交流能量的，对该交流能量频率的测量，就可以得到惠斯通电桥电路的输出电压，进而可得到该微弱机械力的大小。

式中，e为电荷量；V_out为电桥输出电压；·为普朗克常数；ω为电流输出频率。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，此检测方法将约瑟夫逊结对电压的超灵敏性应用于压阻式器件的电压信号的检测，将直流能量信号转变成交流能量信号，通过对交流能量信号的频率检测即可实现对微小电压信号的检测，可比传统压阻式信号检测方法提高2-3数量级，检测方便、数据翔实可靠，是一种十分理想的压阻式电压信号的检测方法。

附图说明

图1检测原理整体结构图

图2检测原理框图

图3检测原理结构等效电路图

图4约瑟夫逊结器件结构图

图5约瑟夫逊结器件材料结构层

图中所示，附图标记清单如下：

1、固定基座，2、悬臂梁，3、约瑟夫逊器件，4、压敏电阻，5、压敏电阻，6、压敏电阻，7、压敏电阻，8、压敏电阻，9、硅衬底，10、二氧化硅层，11、超导金属层，12、超导金属层，13、约瑟夫逊结，14、电压输入正极，15、电压输入负极，16、电流输出正极，17、电流输出负极，18、硅衬底层，19、二氧化硅层，20、铅层，21、氧化铅，22、铜层，23、铅层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示为检测原理整体结构图，固定基座1的一端连接于悬臂梁2的根部，悬臂梁2的邻近根部区域掺杂有压敏电阻5、6，在固定基座1上邻近悬臂梁2连接处的区域掺杂有压敏电阻4、7，压敏电阻4、7的上部区域制作有约瑟夫逊器件3。

压敏电阻4、5、6、7结构尺寸相同，掺杂浓度相同，即阻值大小相同。

压敏电阻5、6处于悬臂梁2的根部，即悬臂梁2产生应变的最明显区域，压敏电阻4、7、约瑟夫逊器件3制作于固定基座1上的任何位置，即要求压敏电阻4、7、约瑟夫逊器件3不能受外界应变的影响。

悬臂梁2的厚度小于固定基座1的厚度，即悬臂梁2是感受外界力最敏感的结构部件。

图2、3为检测原理框图、检测原理结构等效电路图，压敏电阻4、5、6、7组成的惠斯通电桥电路输出连接于约瑟夫逊器件3的电压输入正极14、电压输入负极15，约瑟夫逊器件3的电流输出正极16、电流输出负极17连接于频率检测电路，频率检测电路的信号输出到频谱分析仪。

图4为约瑟夫逊结器件结构图，在硅衬底9上制作有二氧化硅层10，二氧化硅层10上淀积有超导金属层11，超导金属层11上制作有约瑟夫逊结13，约瑟夫逊结13上淀积有超导金属层12，超导金属层11的两端连接有电压输入正极14、电流输出负极17，超导金属层12的两端连接有电压输入负极15、电流输出正极16。

图5为约瑟夫逊结器件材料结构层，在硅衬底层18上制作有二氧化硅层19、即SiO₂层，在二氧化硅层19上制作有铅层20、即Pb层，在铅层20上制作有氧化铅层21、即PbO层，在氧化铅层21上制作有制作有铜层22、即铅层20，在铜层22上制作有铅层23、即Pb层。

约瑟夫逊器件3采用S-I-N-S结构，即超导金属-绝缘层-正常金属-超导金属，结构材料厚度不等，二氧化硅层19、氧化铅层21采用热氧化的方式实现，氧化层的厚度约为

不等，铅层20、铜层22、铅层23采用分子束外延工艺实现，分子束外延是一种在衬底材料上生长高质量晶体薄膜的技术，在生长过程中需要严格控制膜层的质量和厚度，否则将影响约瑟夫逊结器件的性能。

Claims

1.一种基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件，其特征在于：主要由：固定基座、悬臂梁、约瑟夫逊器件、压敏电阻组成；固定基座（1）的一端连接于悬臂梁（2）的根部，悬臂梁（2）的邻近根部区域掺杂有压敏电阻（5、6），在固定基座（1）上邻近悬臂梁（2）连接处的区域掺杂有压敏电阻（4、7），压敏电阻（4、7）的上部区域制作有约瑟夫逊器件（3）;

所述的约瑟夫逊器件（3）由硅衬底、二氧化硅层、超导金属层、超导金属层、约瑟夫逊结、电压输入正极、电压输入负极、电流输出正极、电流输出负极组成；在硅衬底（9）上制作有二氧化硅层（10），二氧化硅层（10）上淀积有超导金属层（11），超导金属层（11）上制作有约瑟夫逊结（13），约瑟夫逊结（13）上淀积有超导金属层（12），超导金属层（11）的两端连接有电压输入正极（14）、电流输出负极（17），超导金属层（12）的两端连接有电压输入负极（15）、电流输出正极（16）;

所述的约瑟夫逊器件（3）的结构材料层由硅衬底层、二氧化硅层、铅层、氧化铅层、铜层、铅层组成；在硅衬底层（18）上制作有二氧化硅层（19）、即SiO₂层，在二氧化硅层（19）上制作有铅层（20）、即Pb层，在铅层（20）上制作有氧化铅层（21）、即PbO层，在氧化铅层（21）上制作有制作有铜层（22）、即Cu层，在铜层（22）上制作有铅层（23）、即Pb层。

2.根据权利要求1所述的基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件，其特征在于：所述的压敏电阻（4、5、6、7）结构尺寸相同，掺杂浓度相同，即阻值大小相同。

3.根据权利要求1所述的基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件，其特征在于：所述的约瑟夫逊器件（3）采用S-I-N-S结构，即超导金属—绝缘层—正常金属—超导金属。

4.根据权利要求1所述的基于约瑟夫逊效应的压阻式力敏器件，其特征在于：所述的压敏电阻（4、5、6、7）连接成惠斯通电桥电路，其桥路输出端连接于约瑟夫逊器件（3）的电压输入正极（14）、电压输入负极（15），约瑟夫逊器件（3）的电流输出正极（16）、电流输出负极（17）连接于频率检测电路，频率检测电路的信号输出到频谱分析仪。