CN108279260A - 一种二硫化钼柔性离子传感器 - Google Patents
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Abstract
一种二硫化钼柔性离子传感器，包括从上到下连接在一起的氮化硼、二硫化钼、氮化硼，金属电极，柔性基底；所述二硫化钼位于氮化硼下方，位于氮化硼上方；所述二硫化钼和氮化硼、氮化硼组成复合梁结构，梁两端分别与金属电极接触，中间部分悬空；柔性基底位于所述复合梁结构悬空部分下方。氮化硼作为保护层，有效隔绝二硫化钼上下表面与空气，以及空气中的水蒸气接触，防止二硫化钼在空气中退化，悬空结构可以防止二硫化钼与柔性基底直接接触，从而可以避免基底对二硫化钼的散射影响；这种结构可使二硫化钼离子传感器获得更好的检测下限、提高长期稳定性，并且降低基底形变对器件的影响。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS技术领域，特别涉及一种二硫化钼柔性离子传感器，是一种具有氮化硼保护层的悬空二硫化钼传感器结构，该结构可使二硫化钼离子传感器获得更好的检测下限、提高长期稳定性、降低形变对器件的影响。
背景技术
目前，可穿戴柔性传感器发展的瓶颈在于敏感材料的性能无法满足需求。二维材料二硫化钼的出现为解决以上问题带来希望。二硫化钼具有极大的比表面积(可提升灵敏度；极低的噪声(可获得更好的检测下限；高断裂应变(抗弯折；易于加工与集成的潜力，因此是理想的敏感材料。
目前文献报道的二硫化钼传感器性能受到器件结构的制约，现有技术中二硫化钼离子传感器常见结构详见图1，图中，1-1—二硫化钼，1-2—金属电极，1-3—基底；二硫化钼1-1与基底1-3直接接触，基底表面悬挂键对二硫化钼内部载流子形成强烈散射，增大噪声，淹没有效信号，使器件无法达到应有的超低检测下限。二硫化钼上表面长期暴露在空气中，氧气、水蒸汽等会使其电学特性逐渐退化，使器件性能产生明显漂移，影响长期稳定性(Selective gas sensing with h-BN capped MoS2heterostructrue thin-filmtransistors,G.Liu,IEEE Electron Device Letters,2015,36,1202-1204。二硫化钼具有压阻效应，电阻值随应力产生明显变化(Peizoresistivity and strin-induced band gaptuning in atomically thin MoS2,S.Manzeli,et al,Nano Letters,2015,15,5330-5335，参照图2。可穿戴柔性器件需要经常产生较大形变，压阻效应降低了二硫化钼传感器在动态使用过程中的稳定性。以上非理想因素使MoS2优良的材料特性无法充分发挥，降低了传感器性能。
因此需要一种易于加工的MEMS新结构，能够有效提升二硫化钼离子传感器的性能。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种二硫化钼柔性离子传感器，利用氮化硼包裹二硫化钼上下表面，防止其电学特性在空气中逐渐退化；采用悬空结构将二硫化钼与基底隔离，避免基底散射影响；使悬空二硫化钼复合梁形成松弛结构，降低基底形变过程中应力对传感器的影响。
为了达到上述目的，本发明是通过下述方法实现的：
一种二硫化钼柔性离子传感器，其特征在于，包括从上到下连接在一起的氮化硼层、二硫化钼层、氮化硼层，金属电极和柔性基底；所述二硫化钼层位于氮化硼层下方，位于氮化硼层上方，且二硫化钼层和氮化硼层、氮化硼层组成复合梁结构，复合梁两端分别与金属电极连接，复合梁中间部分悬空；所述柔性基底位于所述复合梁结构悬空部分下方。
所述二硫化钼层为单层或多层，一般为1-10层。
所述氮化硼层、氮化硼层为单层或多层，一般为1-10层。
所述二硫化钼层、氮化硼层和氮化硼层组成复合梁结构的中间悬空部分中，二硫化钼层、氮化硼层和氮化硼层的形状、面积相同；二硫化钼层的上表面被氮化硼层完全覆盖，二硫化钼层下表面除去与金属电极接触部分，其余部分被氮化硼层完全覆盖。
所述复合梁悬空部分长度大于两个金属电极间距，呈松弛状态。
所述金属电极通过溅射、或蒸镀或其它方法形成于柔性基底上表面，其中金属材料选用Au、Ag、Cu、Al、Pt中的任意一种。
所述柔性基底表面除金属电极以外的区域整体向下凹陷1-10微米。
本发明的有益效果是：
(1避免基底散射影响，降低检测下限。基底表面的悬挂键会对二硫化钼产生强烈的散射，并产生明显的低频噪声。悬空结构可以防止二硫化钼与基底直接接触，从而可以避免基底对二硫化钼的散射影响(氮化硼没有悬挂健，对二硫化钼的散射可以忽略。传感器的检测下限最终取决于信噪比，因此通过悬空结构降低噪声可以使传感器达到更低的检测下限。
(2避免环境影响，提高长期稳定性。氮化硼作为保护层，可以有效隔绝二硫化钼上下表面与空气，以及空气中的水蒸气接触，防止二硫化钼在空气中退化，进而提升器件长期稳定性。
(3减小基底形变影响。可穿戴柔性器件需要经常产生较大形变，通常情况下，二硫化钼会随基底一同形变，使传感器的性能发生相应变化。本技术方案中，基底的压缩形变只能使复合梁更加松弛，不会产生明显应力，基底在一定范围内的拉伸也不会使复合梁完全伸直，可以保证在形变过程中复合梁始终保持松弛状态，避免内部产生明显拉应力，降低形变对传感器性能产生的不利影响，能比较稳定的进行动态测量。
附图说明
图1为现有技术中二硫化钼离子传感器常见结构。
图2为二硫化钼压阻效应的测量结果图，二硫化钼电阻值随形变产生明显变化。
图3为本发明的具有氮化硼保护层的悬空二硫化钼传感器结构侧视图，图中，2-1—氮化硼，2-2—二硫化钼，2-3—氮化硼，2-4—金属电极，2-5—柔性基底。
图4为本发明的具有氮化硼保护层的悬空二硫化钼传感器结构俯视图，图中，2-1—氮化硼，2-4—金属电极，2-5柔性基底。
图5为本发明的二硫化钼传感器加工流程图。
图6为具有氮化硼保护层的二硫化钼离子传感器对不同氢离子浓度(不同pH值的响应结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
参照图3、图4，一种二硫化钼柔性离子传感器，其特征在于，包括从上到下连接在一起的氮化硼层2-1、二硫化钼层2-2、氮化硼层2-3，金属电极2-4和柔性基底2-5；所述二硫化钼层2-2位于氮化硼层2-1下方，位于氮化硼层2-3上方，且二硫化钼层2-2和氮化硼层2-1、氮化硼层2-3组成复合梁结构，复合梁两端分别与金属电极2-4连接，复合梁中间部分悬空；所述柔性基底2-5位于所述复合梁结构悬空部分下方。
所述二硫化钼层2-2为单层或多层，一般为1-10层。
所述氮化硼层2-1、氮化硼层2-3为单层或多层，一般为1-10层。
所述二硫化钼层2-2、氮化硼层2-1和氮化硼层2-3组成复合梁结构的中间悬空部分中，二硫化钼层2-2、氮化硼层2-1和氮化硼层2-3的形状、面积相同；二硫化钼层2-2的上表面被氮化硼层2-1完全覆盖，二硫化钼层2-2下表面除去与金属电极接触部分，其余部分被氮化硼层2-3完全覆盖。
所述复合梁悬空部分长度大于两个金属电极间距，呈松弛状态。
所述金属电极2-4通过溅射、或蒸镀或其它方法形成于柔性基底2-5上表面，其中金属材料选用Au、Ag、Cu、Al、Pt中的任意一种。
所述柔性基底2-5表面除金属电极以外的区域整体向下凹陷1-10微米。
本发明的工作原理为：吸附在复合梁表面的被测离子导致二硫化钼层2-2的载流子浓度变化，进而导致二硫化钼层2-2的电阻率变化。氮化硼2-1作为保护层，有效隔绝二硫化钼2-2上下表面与空气，以及空气中的水蒸气接触，防止二硫化钼在空气中退化，悬空结构可以防止二硫化钼2-2与柔性基底2-5直接接触，从而可以避免基底对二硫化钼的散射影响。
参照图5，本发明的传感器具体加工流程如下：
(一)基底与金属电极加工
在柔性聚合物PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基底表面旋涂一层负性光刻胶(匀胶机转速1000-4000RPM，时间30-90秒)，在热板上90-120℃加热1-2分钟。通过曝光(1-2分钟)，后烘(90-120℃，2-3分钟)，与显影(RD6显影液中浸泡1-2分钟)使其图形化。采用溅射工艺生长10纳米钛和50-100纳米厚度的金。将样品浸泡在丙酮中，并辅助以超声振荡，目的在于去除光刻胶以及光刻胶表面附着的金属(剥离工艺)。通过剥离工艺实现金属层图形化，形成金属电极。利用干法刻蚀，将柔性聚合物基底表面未被金属层保护的区域向下刻蚀1-10微米。通过刻蚀深度保证复合梁无法与基底接触。
(二)二硫化钼层/氮化硼层制备
采用化学气相沉积法分别制备二硫化钼层与氮化硼层。通过PDMS(聚二甲基硅氧烷)将二硫化钼层转移至第一层氮化硼层之上，将第二层氮化硼转移至二硫化钼层之上。通过干法刻蚀工艺将氮化硼层/二硫化钼层/氮化硼层/图形化。
(三)复合梁悬空结构加工
在光学显微镜下，通过微操作技术将图形化之后的氮化硼层/二硫化钼层/氮化硼层/对准基底金属电极正上方。通过调节距离，使氮化硼层/二硫化钼层/氮化硼层/与基底上的电极纵向缓慢接近，并不断精确调节其横向相对位置，最终使二硫化钼层/氮化硼层/二硫化钼层与两边的电极接触。将贴合之后的样品在90-120℃热板上加热5-10分钟，使氮化硼与金属之间建立较牢固接触，形成两端固支悬空结构。
(四)二硫化钼传感器标定与测试
首先使用不同浓度的标准离子溶液分别浸没二硫化钼传感器，待1-5分钟传感器稳定之后使用万用表或半导体参数测试仪测量得到两个金属电极之间二硫化钼的电阻值，通过标定过程可以明确传感器随离子浓度的变化规律。之后使用被测溶液浸没传感器部分，待传感器稳定之后测量其电阻值，并与标定结果对比，进而可以获得被测溶液中待测离子浓度值，参照图6。
测试结果证明基于本发明的二硫化钼离子传感器具有长期稳定性更好、基底形变对器件的影响小的特点。
Claims (8)
1.一种二硫化钼柔性离子传感器，其特征在于，包括从上到下连接在一起的氮化硼层(2-1)、二硫化钼层(2-2)、氮化硼层(2-3)，金属电极(2-4)和柔性基底(2-5)；所述二硫化钼层(2-2)位于氮化硼层(2-1)下方，位于氮化硼层(2-3)上方，且二硫化钼层(2-2)和氮化硼层(2-1)、氮化硼层(2-3)组成复合梁结构，复合梁两端分别与金属电极(2-4)连接，复合梁中间部分悬空；所述柔性基底(2-5)位于所述复合梁结构悬空部分下方。
2.根据权利要求1所述的一种二硫化钼柔性离子传感器，其特征在于，所述二硫化钼层(2-2)为单层或多层，一般为1-10层。
3.根据权利要求1所述的一种二硫化钼柔性离子传感器，其特征在于，所述氮化硼层(2-1)、氮化硼层(2-3)为单层或多层，一般为1-10层。
4.根据权利要求1所述的一种二硫化钼柔性离子传感器，其特征在于，所述二硫化钼层(2-2)、氮化硼层(2-1)和氮化硼层(2-3)组成复合梁结构的中间悬空部分中，二硫化钼层(2-2)、氮化硼层(2-1)和氮化硼层(2-3)的形状、面积相同；二硫化钼层(2-2)的上表面被氮化硼层(2-1)完全覆盖，二硫化钼层(2-2)下表面除去与金属电极接触部分，其余部分被氮化硼层(2-3)完全覆盖。
5.根据权利要求1所述的一种二硫化钼柔性离子传感器，其特征在于，所述复合梁悬空部分长度大于两个金属电极间距，呈松弛状态。
6.根据权利要求1所述的一种二硫化钼柔性离子传感器，其特征在于，所述金属电极(2-4)通过溅射、或蒸镀或其它方法形成于柔性基底(2-5)上表面，其中金属材料选用Au、Ag、Cu、Al、Pt中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种二硫化钼柔性离子传感器，其特征在于，所述二硫化钼层(2-2)为1-10层。
8.根据权利要求1所述的一种二硫化钼柔性离子传感器，其特征在于，所述氮化硼层(2-1)、氮化硼层(2-3)为1-10层。
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