CN102914395B - 基于金属纳米间隙的纳米应力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于金属纳米间隙的纳米应力传感器及其制备方法，其中基于金属纳米间隙的纳米应力传感器，包括：由绝缘材料制成的基片和设置于基片上的一对金属薄膜电极，所述金属薄膜电极上引出导线，连接到外部的测量电表，且所述金属薄膜电极之间构造可以形成导电路径的金属纳米结构，金属纳米结构中包含至少一个纳米间隙。本发明的传感器能快速响应高频的振动信号，能将高频振动信号转变为电学信号，灵敏度高、响应速度快、易于小型化和微型化、稳定性高。本发明的应力传感器可用于科学实验、生产过程控制和管理、生产质量鉴定、工程诊断和评价等领域。

Description

基于金属纳米间隙的纳米应力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米应力传感器，且特别是有关于一种基于金属纳米间隙的纳米应力传感器及其制备方法。

背景技术

应力/应变传感器是商用传感器的一个大类。它的应用范围十分广泛，其主要应用于商业衡器产业及工业测量及控制领域。这类传感器机理也十分丰富，包括电磁力式、光电式、液压式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等等多种。比如大量的发明专利都介绍利用光纤光栅，检测局部微小的光学变化集合分布式传感检测微区应力，这类传感器往往包含比较复杂的光学测量系统，成本较高，测量过程操作较繁琐。在众多工业场合，基于电阻变化的应力/应变传感器被普遍采用，这类传感器测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，其信号处理方便，而且易于集成，所以在数字化的仪器仪表领域具有广阔的应用前景。

传统的电阻式应力/应变传感器工作原理是基于应变效应制作的，其传感的载体材料即金属或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，也即ΔR=ΔρL/S，其中ΔR和Δρ分别为电阻和电阻率的改变量，L是导体的长度，S是导体的截面积。这种传感器往往灵敏度较低，测量精度非常有限，具有一定的响应延迟，体积较大，无法实现器件的微型化，不能满足测量微小区域应力/应变的需要。这样的电阻式应力/应变传感器灵敏度系数K=1+2μ+(Δρ/ρ)/(ΔL/L)，其中μ为材料的泊松比，Δρ/ρ为材料电阻率的相对变化率，ΔL/L为材料长度的相对变化率。电阻改变一般与应变成线性关系，即使考虑非线性效应，幂指数也不超过四次。所以，提高作为传感器信号的电阻改变，或者说提高灵敏度系数K值的关键在于采用更为灵敏的传感材料，并使得应变发生在所有传感的电阻区间。近年来，基于纳米结构的电阻式传感器也受到了广泛的关注。由于采用纳米材料，相对于较大的电阻式传感器，更容易保证全部灵敏区的形变，所以电阻变化更为灵敏。另一方面，纳米结构的敏感区更小，所以可以使器件微型化，易于集成。目前，已有多类技术已经被用于基于纳米结构的电阻式应力传感。比如公开号为CN101397121A、CN 101487148A、CN 101837943A和授权号CN202453128U等报道的应力/应变传感器，他们都采用纳米材料作为敏感介质并且制作方法都涉及微纳加工技术。纳米电阻式传感器已经逐渐成为了当前国内外纳米传感器研究和应用专利开发的主流。

与以上利用材料本身的电阻进行传感不同，利用金属（或半导体）之间的间隙也可以进行类似的电阻式传感。其主要物理机制在于隧穿效应：电子可以穿越一个很小的间隙到达另外一端金属区，其隧穿电流I与间隙的大小（图1(a)中的d）的关系为I∝e^-kd，其中，k为常数，d为隧穿间隙。也即：极为微小的间距改变将引起电流指数型的衰减（参见Reviews of Modern Physics,79(2007469-519).；Chemical Reviews,108(2008)4072-4124）。但是，也正由于这非常灵敏的指数变化的关系，导致间隙稍大，甚至只要大于10nm以后，电流就变得非常微小很难测量了。所以，利用间隙传感的必要条件之一就是要可控实现几个纳米甚至更小的间隙，并铺设电极对其电流进行有效测量。自从上个世纪80年代隧穿效应被实验确认以来，人们认为，如此细小间隙的可控实现和电极铺设非常困难，而且这一尺寸内的应力变化其工业价值也不高。即使目前，最先进的电子束光刻机也只能实现大于10nm的理想刻线精度，所以利用微小间隙进行应力/应变传感的研究一直进展缓慢。

发明内容

本发明目的在于提供一种高灵敏度、响应速度快、易于小型化和微型化、稳定性高的基于金属纳米间隙的纳米应力传感器及其制备方法。

为达上述目的，本发明提出一种基于金属纳米间隙的纳米应力传感器，包括：由绝缘材料制成的基片和设置于基片上的一对金属薄膜电极，所述金属薄膜电极上引出导线，连接到外部的测量电表，且所述金属薄膜电极之间构造可以形成导电路径的金属纳米结构，金属纳米结构中包含至少一个纳米间隙。

进一步，其中至少一个纳米间隙为孤立间隙、或串联/并联的一组间隙组合或阵列。

进一步，其中所述基片为带绝缘层的硅片或柔软的PET绝缘基片。

进一步，其中所述电极间隙的宽度大于0.1nm并且小于10nm。

进一步，其中所述金属纳米结构（3）中隧穿输运是主要的导电形式。

为达上述目的，本发明另提出一种基于金属纳米间隙的纳米应力传感器的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

选择表面干净平整的绝缘材料（1）作为基片；

在上述基片上制备一对金属薄膜电极（2）；

金属薄膜电极（2）之间构造带有纳米间隙的金属纳米结构（3），

将导线（4）连接到金属薄膜电极上引出，连接到外部测量电表（5），当衬底受到外力而发生形变时，通过测量电表（5）的读数就可以定出衬底上的应力。

进一步，上述制备方法包括下列步骤：对上述传感器进行标定，其标定方法为在所需要的各个电极间改变应力大小，测得一组电导变化率ΔG/G与应变ε=ΔL/L的值，其斜率即为传感器的灵敏品质参数，此品质参数是本纳米传感器的关键数据，据此即可在不同场合下进行应力传感测量。

因此，本发明的传感器能快速响应高频的振动信号，能将高频振动信号转变为电学信号，灵敏度高、响应速度快、易于小型化和微型化、稳定性高。本发明的应力传感器可用于科学实验、生产过程控制和管理、生产质量鉴定、工程诊断和评价等领域。

附图说明

图1为应力传感器的工作原理图。

图2为本发明实施例的基于金属纳米间隙的纳米应力传感器的结构示意图。

图3为图2中传感器的制备方法的流程图。

图4为图2中传感器加载应力的标定的示意图。

图5为图2中传感器电导随外界拉力变化的曲线。

图6为图2中传感器对外力的响应曲线。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

首先介绍利用纳米间隙进行传感的方法。其原理如图1所示，如有图1(a)所示的一个纳米尺度间隙d，金属纳米结构（3）（可为块体，或者金属纳米小球）之间的电流I∝Ve^-kd，其中，V是纳米间隙之间的电压。如若衬底上存在局部的应力或应变，如图1(b)为拉应力，图1（c）为剪应力，无论是哪种应力模式，都会造成金属间隙d的改变Δd，其隧穿电流即发生灵敏的变化。

图2为本发明实施例的基于金属纳米间隙的纳米应力传感器的结构示意图。如图2所示，基于金属纳米间隙的纳米应力传感器包括：由绝缘材料制成的基片（1）和设置于基片上的一对金属薄膜电极（2），所述金属薄膜电极（2）上引出导线（4），连接到外部的测量电表（5），且所述金属薄膜电极之间构造可以形成导电路径的金属纳米结构（3），金属纳米结构（3）中包含至少一个纳米间隙。这里的金属纳米结构可以为任意形状，图2中以金属钯纳米粒子间隙链作为实例说明，可为孤立间隙，或串联/并联的一组间隙组合或阵列。串联可大幅度提高应力传感的灵敏度，但会减小传感的响应区间，并联则可提高传感信号的整体强度，

图3为图2中传感器的制备方法的流程图。具体如下：

S101，如图2，选择绝缘材料（1）作为基片，按照所需测量的应力/应变大小，可选择为带绝缘层的硅片或较为柔软的PET绝缘基片等，基片的厚度为0.5mm，表面干净平整，基片的面积为8mm×10mm；

S103，如图2，根据需要通过掩模板遮挡热蒸发镀膜工艺在上述基片上制备金属薄膜电极（2），并且从制备好的金属薄膜电极（2）上引出导线（4），连接到外部的测量电表（5）。电极是厚度为100nm的金薄膜，电极间间距为2微米，初始电阻约1T。可对电极形状和分布进行恰当设计，提高传感信号的强度、信噪比和均匀性。也可以沿多个方向制造电极对，通过各个方向的变化幅度感知局部应力/应变的方向。

S105，采用纳米颗粒束流源配合模板的方法将导电路径的金属纳米结构（3）将沉积到步骤2）制备好的金属薄膜电极上，使得能在电极之间形成隧穿导电通路（参见Nanotechnology 21(2010)195304-195310）。本实施例中，导电路径的金属纳米结构（3）为一组钯纳米颗粒链状结构，注意当叉指电极之间的电导值达到11.5×10-6Ω-1时，停止钯纳米粒子的沉积，即得到了一组应力传感器。

S107，如图4，对传感器进行标定即可对应力变进行定量测量,否则本器件只能做定性测量。其标定方法为在所需要的各个电极间改变应力/应变大小，测得一组电导变化率ΔG/G与应变ε=ΔL/L的值，其斜率即为传感器的灵敏品质参数。此品质参数是本纳米传感器的关键数据，据此即可在不同场合下进行应力传感测量。图5所示，传感器的电导的变化率与拉力的大小呈现出线性关系；如图6所示，在不同的拉力下进行测量可以看到，随着拉力的加载，传感器电导迅速下降，将加载的拉力撤去后传感器电导还原到初始值。

上述应力变传感器的制备步骤可包含于标准的微电子器件制作流程中，用于实现传感单元与电子测量单元和数据处理单元的片上集成，获得微纳传感器件。如果进一步加入微机械单元的制作步骤，则可应用于微机电器件的制备中。

综上所述，本发明给出了一种新的基于纳米间隙改变导致量子隧穿电导变化而不是基于传统欧姆电阻变化的电阻式应力/应变传感器的设计。由于传感器响应信号是由与纳米间隙大小成指数关系的电子隧道穿透贡献，导致响应非常灵敏，而且这种传感器的工作电流极低(微安甚至更小)，所以器件具有极低的功耗。本发明是直接以金属纳米结构之间的隧穿电流作为响应信号，相对于非电物理量的应力/应变传感器而言，没有机械应变到电信信号之间的转换过程，因此消去了由于信号转换过程产生的响应延迟。本发明的传感器能快速响应高频的振动信号，能将高频振动信号转变为电学信号。通过选择不同弹性系数的绝艳衬底，可以对传感器量程的进行有效调节。本发明的全部制备步骤可包含于标准的微电子器件制作流程中，用于实现传感单元与电子测量单元和数据处理单元的片上集成，获得微纳传感器件。也可以与微机械单元的制作步骤相衔接，用于微机电器件的制备中。因此本发明提供了一种高灵敏度、响应速度快、易于小型化和微型化、稳定性高的应力/应变传感器的制备方法。利用此方法制备成的应力/应变传感器可用于科学实验、生产过程控制和管理、生产质量鉴定、工程诊断和评价等领域。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (1)

1.一种基于金属纳米间隙的纳米应力传感器，其特征在于，包括：由绝缘材料制成的基片（1）和设置于基片上的一对金属薄膜电极（2），所述金属薄膜电极（2）上引出导线（4），连接到外部的测量电表（5），且所述金属薄膜电极之间构造形成导电路径的金属纳米结构（3），金属纳米结构（3）中包含至少一个纳米间隙；所述至少一个纳米间隙为孤立间隙、串联/并联的一组间隙组合或阵列；

所述基片为带绝缘层的硅片或柔软的PET绝缘基片；所述纳米间隙的宽度大于0.1nm并且小于10nm；所述金属纳米结构（3）中隧穿输运是主要的导电形式。