CN104090165B - 硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统及四点弯曲施力装置 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统及四点弯曲施力装置，该系统由四点弯曲施力装置、微小阻值检测装置和微小应变检测装置三部分构成。其中四点弯曲施力装置给硅纳米线传感阵列芯片施加均匀轴向应力（应变），该装置包括船型底座、底座滑轨槽、镜像放置的等高L型夹具、镜像放置的等高L型载荷支撑平台、螺母、垫片、螺纹连杆、顶部连杆、若干质量的砝码、托盘以及加载压头。通过间距可调的加载压头上的连杆往托盘上添加砝码对硅纳米线施加压力，通过微小阻值检测装置测出受压后桥路两端输出电压。本发明装置制作简单、体积小、成本低廉、功耗低，由于利用阵列式多点平均测量技术，因而它具有更高精度和更好的稳定性。

Description

硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统及四点弯曲施力装置

技术领域

本发明属于微纳机电系统技术领域，具体涉及一种硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统。

背景技术

目前，随着微纳米加工和分析等技术的发展，研究发现半导体材料在微纳米尺度下的尺寸效应、压阻效应、晶界效应等为其在力、热、光、电、磁等方面带来了独特性能，并由此制造出功能强大、性能优越的微纳米级电子元器件，广泛应用于微纳电子机械系统的传感器中，如压力传感器、加速度传感器及各种生化传感器。因此微纳米材料具有巨大的应用前景。传统掺杂工艺的硅压敏电阻的电阻应变系数较小，随着传感器尺寸的变小，传统掺杂工艺的压敏电阻已经不能满足现代高灵敏度测试的要求。硅纳米线作为一种新型的一维纳米材料，一直未有较好的方法来对表征其压阻效应和力敏特性的重要参数——压阻系数进行测量，极大地限制了硅纳米线传感结构的应用与开发。而硅纳米线传感结构能够具有巨大的压阻系数，因此研究巨压阻系数对硅纳米线的实用化开发很有意义。目前利用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜和透射电子显微镜(TEM）测量压阻系数时，发现靠近硅纳米线的两端处于拉伸状态，中间部分处于压缩状态，两个区域由于压阻效应产生的电阻变化相互抵消，使得测量准确性大为下降，其次，该方法设备复杂、昂贵、体积大，对环境、温度、湿度均有严格的要求，在使用上不便捷，测量时间长。

利用MOS沟道以及结型场效应管(JFET)沟道的压阻效应也可以实现压阻检测。但是MOS沟道压阻检测的主要问题有三点。（1）MOS管是一种具有放大作用的晶体管,栅极电压的微小变化会引起沟道阻抗的显著变化，因此抗干扰能力差。（2）为实现压阻检测需要将MOS管连接成电桥，而MOS电桥存在负反馈，会造成压阻灵敏度的显著下降。理论计算表明增强型MOS管电桥的灵敏度小于力敏电阻电桥的一半。（3）构件弯曲时，最大应力出现在表面，随着深度的增加应力迅速下降。而MOS管结构特点决定了沟道无法制作在表面，造成灵敏度下降。JFET沟道压阻结构也存在MOS沟道压阻结构类似的问题，即对栅极电压敏感抗干扰能力差、存在负反馈会降低灵敏度等。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，本发明提出了一种硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统，以达到简化巨压阻系数的检测装置和提高检测灵敏度和精度的目的，本发明利用多路复用开关实现阵列式多点平均测量应变和阻值的技术，因而它具有更高精度和更好的稳定性，使用便捷，缩短了测量时间。

为了达到以上目标，本发明提供了一种硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统，包括四点弯曲施力装置、微小阻值检测装置和微小应变检测装置，其中，所述四点弯曲施力装置包括船型底座1、底座滑轨槽、螺母3、两个等高L型夹具4、顶部连杆5、两个等高L型载荷支撑平台12、砝码6、托盘7和加载压头8，所述底座1正表面标刻有刻度线2，所述底座滑轨槽设置在所述底座1的上端面；所述等高L型夹具4和等高L型载荷支撑平台12分别相对于所述四点弯曲施力装置的中心线对称设置，并且所述等高L型夹具4和等高L型载荷支撑平台12能滑动地设置在所述底座滑轨槽内；所述加载压头8设置在所述等高L型载荷支撑平台12的上部；所述螺母3包括上部螺母，所述上部螺母设置在所述托盘7和加载压头8之间，所述顶部连杆5从上至下依次穿过所述砝码6、托盘7中部、上部螺母和加载压头8中部；所述托盘7和加载压头8的两侧端部分别抵靠在所述等高L型夹具4上；

所述微小阻值检测装置包括惠斯通电桥和微弱信号采集系统，所述惠斯通电桥由所述硅纳米线传感阵列13中的任一硅纳米线和与所述硅纳米线阻值相同的三个精密电阻构成；所述微弱信号采集系统包括前置放大电路、第二级放大滤波电路、电压跟随器、模数转换器和终端模块，所述前置放大电路、第二级放大滤波电路、电压跟随器、模数转换器和液晶显示模块顺次连接；所述微弱信号采集系统与所述惠斯通电桥的电压输出端相连接；

所述微小应变检测装置包括全桥式应变片11，所述全桥式应变片11分别粘贴在所述硅纳米线传感阵列芯片13的正反面的受力点位置，所述四个全桥式应变片（11）构成四个应变全桥电路实现应变多点平均测量，本发明采用四个全桥式应变片（11）构成了四个应变全桥电路，硅纳米线传感阵列芯片正反面各两个，从而实现对硅纳米线传感阵列芯片的应变多点平均测量；所述微弱信号采集系统与所述应变全桥电路的输出端相连接。

本发明还提供了一种四点弯曲施力装置，包括船型底座1、底座滑轨槽、螺母3、两个等高L型夹具4、顶部连杆5、两个等高L型载荷支撑平台12、砝码6、托盘7和加载压头8，所述底座1正表面标刻有刻度线2，所述底座滑轨槽设置在所述底座1的上端面；所述等高L型夹具4和等高L型载荷支撑平台12分别相对于所述四点弯曲施力装置的中心线对称设置，并且所述等高L型夹具4和等高L型载荷支撑平台12能滑动地设置在所述底座滑轨槽内；所述加载压头8设置在所述等高L型载荷支撑平台12的上部；所述螺母3包括上部螺母，所述上部螺母设置在所述托盘7和加载压头8之间，所述顶部连杆5从上至下依次穿过所述砝码6、托盘7中部、上部螺母和加载压头8中部；所述托盘7和加载压头8的两侧端部分别抵靠在所述等高L型夹具4上。

本发明的有益效果是：

1.本发明对进行四点弯曲的硅纳米线传感阵列芯片的长度测试范围大，硅纳米线传感阵列芯片的长度可以为连续变化的尺寸值，并且均在同一实验装置上安装测试。

2.本发明对硅纳米线传感阵列芯片测试过程中均采用固定支撑平台，不会因为固定端约束产生过多的影响因素，保证测试结果的准确性。

3.本发明在测试硅纳米线传感阵列芯片时，可以调整两个支撑点以及两个加载点的距离，消除测试样品在受压弯曲时产生过多伸长量，提高数据的准确性。

4.本发明采用基于多点平均测量技术的微小阻值检测装置和微小应变检测装置，整体装置制造简单、体积小、成本低、精度高、对环境的要求不高，测量时间大为减小，有很强的市场推广价值。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容及特点，结合以下附图进一步的描述，其中：

图1.本发明的四点弯曲装置示意图。

图2.被测硅纳米线传感阵列的正表面图。

图3.被测硅纳米线传感阵列的背面图。

图4.本发明的微小应变检测和微小阻值检测装置整体框图。

图5.本发明的硅纳米线和其阻值相同的三个精密电阻组成的全桥电路。

图6.本发明微小应变检测和微小阻值检测装置的多路复用开关控制电路。

图7.本发明的前置放大电路。

图8.本发明的第二级放大滤波电路与跟随器电路。

图9.本发明的A/D转换电路。

具体实施方式

为使本发明/发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明/发明实施例的附图，对本发明/发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明/发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明/发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明/发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明/发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明/发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本发明/发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明/发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明/发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本发明/发明中所述的“顺时针”和“逆时针”的含义指的是附图中所显示的顺时针和逆时针的方向，是为了方便阅读者的阅读理解时的定义，而非对本发明/发明的装置机构的特定限定。

图1是本发明的四点弯曲装置示意图；图2是被测硅纳米线传感阵列的正表面图；图3.是被测硅纳米线传感阵列的背面图；图4是本发明的微小应变检测和微小阻值检测装置整体框图；图5是本发明的硅纳米线和其阻值相同的三个精密电阻组成的全桥电路；图6是本发明微小应变检测和微小阻值检测装置的多路复用开关控制电路；图7是本发明的前置放大电路；图8是本发明的第二级放大滤波电路与跟随器电路；图9是本发明的A/D转换电路。本发明提供的硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统包括四点弯曲施力装置、微小阻值检测装置和微小应变检测装置三部分。其中四点弯曲施力装置给硅纳米线传感阵列芯片施加均匀轴向应力（应变），如图1所示，该装置包括船型底座1、底座滑轨槽、镜像放置的等高L型夹具4、镜像放置的等高L型载荷支撑平台12、螺母3、垫片9、螺纹连杆10、顶部连杆5、若干质量的砝码6、托盘7以及加载压头8。下面详述该四点弯曲装置的装配步骤：

（a）镜像放置的等高L型夹具4分别在底座上面的滑轨槽内滑动，插入螺纹连杆10，套上垫片9，再拧上螺母3，暂不拧紧，根据加载压头8的大小尺寸，利用底座1正表面的刻度线2，对称地调整镜像放置的等高L型夹具4到指定位置，拧紧螺母3，使L型夹具4与底座1紧固相连；

（b）镜像放置的等高L型载荷支撑平台12，插入螺纹连杆10，套上垫片9，再拧上螺母3，暂不拧紧，根据硅纳米线传感阵列芯片13的长短不一的情况，利用底座1正表面的刻度线2，对称地调整镜像放置的等高L型载荷支撑平台12到指定位置，拧紧螺母3，使之与底座1紧固相连；

（c）通过往加载压头8的托盘7上添加砝码6，导致芯片受到轴向均匀应力，即可开展四点弯曲试验。

下面详述本发明提供的四点弯曲加载装置与硅纳米线的四点弯曲试验的巨压阻系数检测过程，具体由以下步骤完成：

本发明采用的测应变的方法是基于电阻应变计，将应变转化为电信号进行测量。即在硅纳米线传感阵列芯片13的受力点紧贴应变片11，其效果为当硅纳米线传感阵列芯片13发生一定程度的形变，应变片11也会产生相应的对等应变，输出与应变成正比的电压信号，利用PC上位机进行数据处理后可得硅纳米线传感阵列的应变值。其工作过程为：硅纳米线传感阵列受压发生轴向应变→应变片阻值发生变化→全桥输出电压发生变化→小信号放大→数据处理→记录相关应变数据。为了提高硅纳米线的应变测量精度，本发明采用应变片惠斯通全桥接法，其具有灵敏度高、测量范围宽、电路简单、精度高及易于实现温度补偿等特点，很好地满足了应变测量的要求。应变全桥的5V电源电压采用ADP3303；

粘贴应变片是最重要的一个环节，在测量过程中，为了要让硅纳米线传感阵列的变形如实地通过粘结层传递给应变片，要保证粘结层均匀、牢固、不产生蠕滑。其粘贴过程为：检查应变片阻值→清洗硅纳米线传感阵列芯片的表面→粘贴应变片→固化→测应变片的绝缘阻值→引出导线；

通过杜邦线将多个应变计导电胶和应变片的接线端利用多路复用开关连接到微弱信号采集系统构成微小应变检测装置。具体地，由于电桥输出的差模应变信号很小，基于信号的特点，本发明采用AD公司生产的仪用集成运放AD620，AD620具有低功耗、增益可调节、高输入阻抗和共模抑制比的仪用放大器，特别适用做小信号的前置放大级，OP07具有低输入失调电压，低温漂，低输入噪声、电压幅度及长期稳定的高精度运算放大器，与电阻电容构成有源低通放大电路，通过级联的方式给电桥的微弱小信号进行放大滤波；A/D转换器是数据采集电路的核心部件，它负责输入的模拟信号转换为数字信号，以便中央处理器进行处理。正确选用A/D转换器是提高数据采集电路精度的关键。本发明采用的AD7794是ADI公司推出的高分辨的模数转换器，AD7794适合高精度测量应用中的低功耗、低噪声、完整模拟前段、内置一个低噪声24位的6路差分输入的；还集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号到ADC。片内内置一个精密低噪声、低温漂带隙基准电压源，也可采用最多两个外部差分基准源，片内特性包括可编程的激励电流源，熔断电流控制和偏置电压产生器，通过低端电源开关可用来在两次转换之间关断桥式传感器，从而使系统功能降到最低，输出速率可在4.17HZ至470HZ的范围内变化，供电电压采用2.5V至5.25V供电，其时钟信号端口，数据写入端口和数据输出端分别与低功耗特性单片机STM32F103RBT6的PA3，PA5，PA6相连。AD7794的AIN1+和AIN1-用于采集电桥输出的模拟电压，基准源为REF1+和REF1-，通过A/D模数转换后可以将数据保存在EEPROM；数据的处理方面EEPROM模块由于储存数据较多，选用储存空间较大，成本较低的AT24C256储存器。这种EEPROM具有32KB容量，通过I²C总线与STM32相连，实现数据的储存与读取。RS232实现与上位机的通信工作，成功的将大量测试数据传输给PC机做数据处理和分析。当然也可以直观地将数值显示在LCD1602液晶上。

当电桥处于平衡状态时△Usc=0，当硅纳米线传感阵列受到压载时带动应变片的应变变化，从而产生△Usc的变化。根据公式ε=△Usc/(Ui*K),可以计算硅纳米线传感阵列受压后的应变值。

其中：ε——硅纳米线的受压后的应变值；

△Usc——应变片受压后全桥的输出电压；

Ui——应变全桥电源电压；

K——应变片的灵敏度系数。

为了保证数据的更精确性，将多个应变片的全桥电路外接多路复用开关CD4052，CD4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，有A、B两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号，这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关，当INH输入端=“1”时，所有通道截止。二位二进制输入信号选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出。本发明采用的是第二路的Y通道，将控制位A、B接到STM32的PA1，PA2使其置1和0。将多路复用开关CD4052的各个通道的值取平均，记录平均应变值进行后续的数据处理；

由于△R/R非常小，万用表测量不太精确，需要采用某些测量电路，将电阻相对变化△R/R的测量转换为电压的测量，通过△Uout=（△R/R）*U0式，可方便的计算出硅纳米线13的阻值微小变化。

其中：△Uout——电桥输出电压；

U0——电源电压（供桥电压）；

△R/R——硅纳米线的受压后阻值变化与受压前的阻值比。

典型的测量电路采用惠斯通电桥，由于硅纳米线受到挤压应变，产生阻值的变化，从而引起电桥的不平衡，产生了差动信号。直流放大器输入级阻抗很高，与桥壁阻抗相比，其负载阻抗可视为无穷大。因此本发明采用了直流电桥，将硅纳米线传感阵列13中任一硅纳米线和其阻值相同的三个精密电阻组成的惠斯通全桥电路，测量发生应变时其阻值变化；

本发明利用多路复用开关CD4052将多个惠斯通电桥与微弱信号采集系统构成微小阻值检测装置，并将多个测量值取平均处理。其前置放大电路也是采用由AD620搭建的放大电路，二级输出级放大电路也是由OP07搭建的，为了抑制干扰，第一级作为一阶的低通滤波器，为了提高驱动能力，保证信号不会在前放衰减的太多，最后一级作为电压跟随器；微小阻值检测装置的A/D转换电器也采用高精度测量应用中的低功耗、低噪声、高分辨的AD7794模数转换器。最终输出的平均电压值显示在液晶LCD1602上。采用了阵列式多点平均测量技术提高阻值变化的测量精度。

根据底座1的正表面的刻度线2，对称地调整镜像（两个对立）放置的等高L型载荷支撑平台12顶部尖点之间距离，扭紧螺母3，固定在底座1上，然后将硅纳米线传感阵列芯片13放置在支撑平台12上，保证硅纳米线13横平竖直，保证加载压头8载荷作用于指定位置，保证加载的准确性和稳定性；

加载压头先通过镜像（两个对立）放置的等高L型夹具3两边的滑轨将加载压头的两个压点置于硅纳米线传感阵列芯片13的表面，通过加载压头8上的连杆5向托盘7上添加若干质量的砝码6给硅纳米线传感阵列芯片13表面施加压力；

缓慢地添加砝码，运行加载压头8时，记录硅纳米线传感阵列13平均后的应变和阻值变化，并根据应变和阻值变化利用通用压阻系数公式实现对硅纳米线传感阵列的巨压阻系数的测算。

上述仅为本发明的具体实施例，并不限制本发明在其他材料压阻系数测量时的应用，凡在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

以上仅为本发明/发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明/发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明/发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统，其特征在于，包括四点弯曲施力装置、微小阻值检测装置和微小应变检测装置，其中，

所述四点弯曲施力装置包括船型底座（1）、底座滑轨槽、螺母（3）、两个等高L型夹具（4）、顶部连杆（5）、两个等高L型载荷支撑平台（12）、砝码（6）、托盘（7）和加载压头（8），所述底座（1）正表面标刻有刻度线（2），所述底座滑轨槽设置在所述底座（1）的上端面；所述等高L型夹具（4）和等高L型载荷支撑平台（12）分别相对于所述四点弯曲施力装置的中心线对称设置，并且所述等高L型夹具（4）和等高L型载荷支撑平台（12）能滑动地设置在所述底座滑轨槽内；所述加载压头（8）设置在所述等高L型载荷支撑平台（12）的上部；所述螺母（3）包括上部螺母，所述上部螺母设置在所述托盘（7）和加载压头（8）之间，所述顶部连杆（5）从上至下依次穿过所述砝码（6）、托盘（7）中部、上部螺母和加载压头（8）中部；所述托盘（7）和加载压头（8）的两侧端部分别抵靠在所述等高L型夹具（4）上；

所述微小阻值检测装置包括惠斯通电桥和微弱信号采集系统，所述惠斯通电桥由所述硅纳米线传感阵列（13）中的任一硅纳米线和与所述硅纳米线阻值相同的三个精密电阻构成；所述微弱信号采集系统包括前置放大电路、第二级放大滤波电路、电压跟随器、模数转换器和终端模块，所述前置放大电路、第二级放大滤波电路、电压跟随器、模数转换器和液晶显示模块顺次连接；所述微弱信号采集系统与所述惠斯通电桥的电压输出端相连接；

所述微小应变检测装置包括全桥式应变片（11），所述硅纳米线传感阵列芯片（13）的正反面的受力点位置各粘贴两片所述全桥式应变片（11），所述四片全桥式应变片（11）构成四个应变全桥电路；所述微弱信号采集系统与所述应变全桥电路的输出端相连接；

所述螺母（3）还包括中部螺母和侧部螺母，分别用于将所述等高L型载荷支撑平台（12）和等高L型夹具（4）固定在滑轨槽中；所述中部螺母和侧部螺母端部分别设置有螺纹连杆（10），并与所述等高L型载荷支撑平台（12）和等高L型夹具（4）之间设置有垫片（9）；

所述惠斯通电桥的供桥电压由精密电压源提供。

2.根据权利要求1所述的一种硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统，其特征在于，还包括硅纳米线传感阵列芯片（13），所述等高L型载荷支撑平台（12）的顶部分别设置一个三角形尖头，所述硅纳米线传感阵列芯片（13）放置在所述三角形尖头上；所述加载压头（8）的底部带有两个可拆卸的等边三角形尖头，所述等边三角形尖头能移动地设置在所述等高L型载荷支撑平台（12）的顶部，并以刻度线（2）的中间零点位置呈对称分布；所述等边三角形尖头设置在所述加载压头（8）和硅纳米线传感阵列芯片（13）之间。

3.根据权利要求1所述的一种硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统，其特征在于，所述顶部连杆（5）的连杆部分为螺纹状。

4.根据权利要求1所述的一种硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统，其特征在于，所述终端模块为液晶显示器或上位机。

5.根据权利要求1所述的一种硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统，其特征在于，包括多个惠斯通电桥，所述多个惠斯通电桥由多个阻值相同的硅纳米线和精密电阻组成；所述多个惠斯通电桥与微弱信号采集系统之间设置有多路复位开关控制电路。