CN104538544A - 一种电热致动器及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电热致动器及其形成方法，在SOI的预设区域上蒸镀金属层，采用标准的半导体加工技术，将SOI的顶层硅加工成V字型结构的电热致动器，V字型结构的两端固定，V字型结构的内角部分与纳米线的固定端相对的活动端连接，且与纳米线一体成型。给电热致动器表面金属通电流，电流产生焦耳热使电热致动器温度升高产生热膨胀，由于电热致动器的两端固定，这样膨胀就会使得其尖端有平行于结构平面向外的移动，由此产生的位移与力将电热致动器和纳米线拉断形成一个裂结。通过在一个SOI加工多个电热致动器，然后对这多个电热致动器的表面金属同时通电流，就可以在一次实验中形成多个裂结，从而解决了量产过程时间浪费的问题。
Description
技术领域
本发明涉及单分子器件技术领域，更具体的说，涉及一种电热致动器及其形成方法。
背景技术
单分子在电子学中的使用表征了电子学器件的最小极限，同时，它也引领人们在缩小基于硅的电子器件上继续前进。做单分子器件首先需要解决的一个难题便是裂结的形成。裂结(Break Junction)是一种由两个电极及利用这两个电极通过破坏一个纳米线形成的一个原子级(小于1nm)的缝隙共同构成的电子器件。裂结可用于电接触或是研究单分子的性质。
目前典型的形成裂结的方法有扫描隧道显微镜(Scanning TunnelingMicroscope，STM)和机械可控裂结(Mechanically Controllable Break Junction，MCBJ)。STM采用一个扫描针尖，通过压电控制去扎到金属材料中，然后将针再拉出来，形成一个裂结。MCBJ是将两个连接着的电极固定在基片上，然后在基片下面通过传动装置弯曲基片，在两个电极间形成一个裂结。
由于上述两种方法在一次实验中只能形成一个裂结，因此，在裂结量产时浪费大量的时间。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电热致动器及其形成方法，以实现在一个SOI同时形成多个裂结，解决量产过程时间浪费的问题。
一种电热致动器，所述电热致动器为一体成型的V字型结构，所述V字型结构的两端固定，所述V字型结构的内角部分与纳米线的固定端相对的活动端连接，且与所述纳米线一体成型。
优选的，所述V字型结构悬置有硅层，及设置在所述硅层上的金属层。
一种电热致动器的形成方法，包括：
在绝缘衬底上的硅SOI的预设区域上蒸镀金属层；
在所述SOI上用标准的半导体加工技术，将所述SOI的顶层硅加工成V字型结构，所述V字型结构的两端固定，所述V字型结构的内角部分与纳米线的固定端相对的活动端连接，且与所述纳米线一体成型；
将所述纳米线下面的硅刻蚀掉，使金属层悬空；
将所述V字型结构和所述纳米线下面的二氧化硅腐蚀掉，使所述V字型结构和所述纳米线构成的整体结构悬空；
向所述金属层通预设初始电流；
按照预设幅度逐渐增大所述预设初始电流；
当检测到所述纳米线的阻值达到预设阻值时，停止通电流，裂结形成。
优选的，所述预设阻值为12.9kΩ。
优选的，蒸镀金属层采用电子束蒸发工艺。
优选的，所述标准的半导体加工技术为电子束光刻工艺。
优选的，将所述纳米线下面的硅刻蚀掉采用深硅刻蚀工艺。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种电热致动器及其形成方法，在SOI的预设区域上蒸镀金属层，采用标准的半导体加工技术，将SOI的顶层硅加工成V字型结构的电热致动器，其中，V字型结构的两端固定，V字型结构的内角部分与纳米线的固定端相对的活动端连接，且与纳米线一体成型，然后将纳米线下面的硅刻蚀掉，使金属层悬空，将V字型结构和纳米线下面的二氧化硅腐蚀掉，使V字型结构和纳米线构成的整体结构悬空。给电热致动器表面金属通电流，电流产生焦耳热使电热致动器温度升高产生热膨胀，由于电热致动器的两端固定，这样膨胀就会使得其尖端有平行于结构平面向外的移动，由此产生的位移与力将电热致动器和纳米线拉断形成一个裂结。通过在一个SOI加工多个电热致动器，然后对这多个电热致动器的表面金属同时通电流，就可以在一次实验中形成多个裂结，从而解决了量产过程时间浪费的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种电热致动器的结构图；
图2为本发明实施例公开的一种电热致动器的主视图；
图3为本发明实施例公开的一种电热致动器形成方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种电热致动器及其形成方法，以实现在一个SOI同时形成多个裂结，解决量产过程时间浪费的问题。
参见图1和图2，分别为本发明实施例公开的一种电热致动器的结构图和主视图，电热致动器为一体成型的V字型结构，所述V字型结构的两端固定，所述V字型结构的内角部分与纳米线01的固定端03相对的活动端连接，且与纳米线01一体成型。
其中，V字型结构的两端可参见图1和图2中的附图标记02和04，也就是说，V字型结构的第一端02和第二端04是固定的。
需要说明的是，在SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)上加工电热致动器时，为使V字型结构的电热致动器的两端固定，可将电热致动器与SOI加工成一体成型结构。
同样，为使纳米线01未与电热致动器连接的一端(即固定端03)固定，也可将纳米线01与SOI加工成一体成型结构。
也就是说，SOI、电热致动器和纳米线01三者为一体成型结构。
本申请提供的电热致动器的工作原理为：给电热致动器表面金属通电流，电流产生焦耳热，使电热致动器温度升高产生热膨胀，由于电热致动器的两端固定，这样膨胀就会使得其尖端有平行于结构平面向外的移动，由此产生位移与力。
其中，对V字型结构的电热致动器所加的电流分别与位移和力的对应关系，可采用模拟仿真方法得到。
具体的，用模拟仿真方法对V字型结构的位移和力进行模拟，设置条件为：将V字型结构设置在一个远远大于电热致动器的SOI中，设置该平板的下底面和侧面为恒定外界温度，以作为V字型结构的热源。其中，整个仿真所设环境条件为真空。
假设对V字型结构所通电流的大小为34mA，V字型结构的尖端在平行于结构平面向外的纳米线处产生大于200uN的力；当仅对V字型结构通34mA的电流时，V字型结构的尖端在平行于结构平面向外有位移(本仿真中得到的位移为50nm)，通过调节电流得到电流与位移的关系。
通过调节电流的增长速度可以得到亚皮米量级每秒的移动速度。电流、位移和力三个参数都是满足且优于形成裂结的所需参数。
其中，电热致动器的厚度越厚，拉力越大；同时，V字型结构的展开长度越短，V字型结构的横截面的宽度越宽，电热致动器在平行于结构平面的尖端方向的弹性常数越大。
综上可以看出，本发明提供的电热致动器为一体成型的V字型结构，V字型结构的两端固定，V字型结构的内角部分与纳米线01的固定端03相对的活动端连接，且与纳米线01一体成型。给电热致动器表面金属通电流，电流产生焦耳热使电热致动器温度升高产生热膨胀，由于电热致动器的两端固定，这样膨胀就会使得其尖端有平行于结构平面向外的移动，由此产生的位移与力将电热致动器和纳米线01拉断形成一个裂结。通过在一个SOI加工多个电热致动器，然后对这多个电热致动器的表面金属同时通电流，就可以在一次实验中形成多个裂结，从而解决了量产过程时间浪费的问题。
同时，由于电热致动器尖端产生的位移和力是由热膨胀导致，因此在一定程度上可以进行重复演化，并且可以通过控制电流的大小控制缝隙的大小，进而控制裂结的大小。
并且，由于电热致动器的热胀冷缩是由电流控制的，因此，SOI不需要额外的机械结构来影响V字型结构的稳定性。
其中，一个SOI的多个裂结都可以对缝隙的大小进行独立的控制。
需要说明的是，本实施例中的V字型结构悬置有硅层，及设置在所述硅层上的金属层。
为进一步说明电热致动器的形成过程，本发明还提供了一种电热致动器的形成方法。
参见图3，本发明实施例公开的一种电热致动器的形成方法流程图，包括步骤：
S11、在SOI的预设区域上蒸镀金属层；
预设区域指的是需要在SOI上设置裂结的区域。
蒸镀金属层可采用电子束蒸发工艺。
S12、在所述SOI上用标准的半导体加工技术，将所述SOI的顶层硅加工成V字型结构；
其中，所述V字型结构的两端固定，所述V字型结构的内角部分与纳米线01的固定端03相对的活动端连接，且与所述纳米线01一体成型。
标准的半导体加工技术为电子束光刻工艺。
较优的，SOI、电热致动器和纳米线01三者为一体成型结构。
S13、将纳米线01下面的硅刻蚀掉，使金属层悬空；
其中，将纳米线01下面的硅刻蚀掉可采用深硅刻蚀工艺。
S14、将所述V字型结构和纳米线01下面的二氧化硅腐蚀掉，使所述V字型结构和纳米线01构成的整体结构悬空；
S15、向所述金属层通预设初始电流；
其中，预设初始电流依据实际需要而定，例如，0.1mA。
S16、按照预设幅度逐渐增大所述预设初始电流；
通过模拟变化电流所得曲线拟合可知，位移速度与电流是正比于I2的关系，因此，为使电热致动器和纳米线01拉断过程均匀，可将加电流的速度即预设幅度设为I1/2/s，由此得到的电热致动器尖端的移动速度为0.43pm/s。
S17、当检测到纳米线01的阻值达到预设阻值时，停止通电流，裂结形成。
其中，预设阻值为12.9kΩ。
实践表明，当纳米线01的阻值达到或超过12.9kΩ时，形成裂结。
电热致动器的工作原理参见上述的装置实施例。
综上可以看出，本发明在SOI的预设区域上蒸镀金属层，采用标准的半导体加工技术，将SOI的顶层硅加工成V字型结构的电热致动器，其中，V字型结构的两端固定，V字型结构的内角部分与纳米线01的固定端03相对的活动端连接，且与纳米线01一体成型，然后将纳米线01下面的硅刻蚀掉，使金属层悬空，将V字型结构和纳米线下面的二氧化硅腐蚀掉，使V字型结构和纳米线01构成的整体结构悬空。给电热致动器表面金属通电流，电流产生焦耳热使电热致动器温度升高产生热膨胀，由于电热致动器的两端固定，这样膨胀就会使得其尖端有平行于结构平面向外的移动，由此产生的位移与力将电热致动器和纳米线01拉断形成一个裂结。通过在一个SOI加工多个电热致动器，然后对这多个电热致动器的表面金属同时通电流，就可以在一次实验中形成多个裂结，从而解决了量产过程时间浪费的问题。
同时，由于电热致动器尖端产生的位移和力是由热胀导致，因此在一定程度上可以进行重复演化，并且可以通过控制电流的大小控制缝隙的大小，进而控制裂结的大小。
并且，由于电热致动器的热胀冷缩是由电流控制的，因此，SOI不需要额外的机械结构影响V字型结构的稳定性。
其中，一个SOI的多个裂结都可以对缝隙的大小进行独立的控制。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种电热致动器，其特征在于，所述电热致动器为一体成型的V字型结构，所述V字型结构的两端固定，所述V字型结构的内角部分与纳米线的固定端相对的活动端连接，且与所述纳米线一体成型。
2.根据权利要求1所述的电热致动器，其特征在于，所述V字型结构悬置有硅层，及设置在所述硅层上的金属层。
3.一种电热致动器的形成方法，其特征在于，包括：
在绝缘衬底上的硅SOI的预设区域上蒸镀金属层；
在所述SOI上用标准的半导体加工技术，将所述SOI的顶层硅加工成V字型结构，所述V字型结构的两端固定，所述V字型结构的内角部分与纳米线的固定端相对的活动端连接，且与所述纳米线一体成型；
将所述纳米线下面的硅刻蚀掉，使金属层悬空；
将所述V字型结构和所述纳米线下面的二氧化硅腐蚀掉，使所述V字型结构和所述纳米线构成的整体结构悬空；
向所述金属层通预设初始电流；
按照预设幅度逐渐增大所述预设初始电流；
当检测到所述纳米线的阻值达到预设阻值时，停止通电流，裂结形成。
4.根据权利要求3所述的形成方法，其特征在于，所述预设阻值为12.9kΩ。
5.根据权利要求3所述的形成方法，其特征在于，蒸镀金属层采用电子束蒸发工艺。
6.根据权利要求3所述的形成方法，其特征在于，所述标准的半导体加工技术为电子束光刻工艺。
7.根据权利要求3所述的形成方法，其特征在于，将所述纳米线下面的硅刻蚀掉采用深硅刻蚀工艺。
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