CN109855775A - 一种微应力传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微应力传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)取柔性材料作为衬底，并加热到100℃及以上；(2)在加热后膨胀的衬底上转移覆盖一层二维相变材料，冷却至室温，使得衬底收缩，进而使得二维相变材料弯曲形成波浪形褶皱；(3)在形成波浪形褶皱的二维相变材料的两端分别生长一个金属电极，即完成微应力传感器的制备。与现有技术相比，本发明制备得到的传感器具有制作方法简便、稳定性好、易于集成，具有超高的灵敏度，应用前景广泛。

Description

一种微应力传感器的制备方法

技术领域

本发明属于传感器制备技术领域，涉及一种微应力传感器的制备方法。

背景技术

应力传感器广泛应用于集成电路中，由于集成电路日益微型化，集成度和设计标准越来越高，业界对应力传感器的大小和灵敏度要求也随之增高，不同的方法所制备的应力传感器在大小和灵敏度上都会有着明显差异。所以利用二维相变材料制备应力传感器成为一种新的选择。二维相变材料二碲化钼属于层状过渡金属硫族化合物，具有二维的层状结构。每层由三明治结构Te–Mo–Te构成，层内的Mo原子与Te原子之间为共价键，三明治结构的Te–Mo–Te单层非常稳定，电化学性能稳定。并且二碲化钼具有同质结效率高的特性，是硅的10-50倍，电子可以在其中迅速运动，因而其具有很高的导电性能。

二碲化钼具有高弹性模量，被称为超弹性材料，当单层二碲化钼受到应力发生弯曲时，单层二碲化钼会产生由2H转化成1T的相变，也就是由半导体-金属相变。单层二碲化钼薄膜材料由半导体相到金属相的相变后，其电阻发生变化，当其相变程度的不同时的电阻值不同。通过两端电极测量其电阻的变化，可以得到电阻关于受应力程度的关系，从而制成应力传感器。

中国专利201810053262.2公开了一种利用二维相变材料制备的超灵敏应力传感器，包括硅衬底，所述硅衬底上淀积一层二氧化硅介质层，二氧化硅介质层的厚度在20-100nm；所述的二氧化硅介质层上制作一个下凹的台面；所述的二氧化硅介质层的凹台面上转移覆盖一层二维相变材料薄膜，所述二维相变材料薄膜的两端各生长一个金属电极。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种微应力传感器的制备方法，由于所述二维材料的相变特性，当衬底受到拉伸或压缩时，原子层厚度的二维材料薄膜受到应力作用发生形变，促使其发生半导体—金属相变，此时二维材料层薄膜电阻发生变化，通过测量两端电阻的大小表征衬底材料所受力的大小。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种微应力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)取柔性材料作为衬底，并加热到100℃及以上；

(2)在加热后膨胀的衬底上转移覆盖一层二维相变材料，冷却至室温，使得衬底收缩，进而使得二维相变材料弯曲形成波浪形褶皱；

(3)在形成波浪形褶皱的二维相变材料的两端分别生长一个金属电极，即完成微应力传感器的制备。

进一步的，步骤(1)中，所述的柔性材料为聚对苯二甲酸乙二酯PET或聚酰亚胺PI等塑料材料。

进一步的，步骤(2)中，所述的二维相变材料为具有半导体-金属相变特性的材料，其厚度为1nm。

进一步的，步骤(2)中，所述的二维相变材料为单层二碲化钼、二硫化钼、二硒化钼或二硫化钨。

进一步的，步骤(2)中，冷却的速率为自然冷却。

进一步的，步骤(3)中，金属电极的材料为金、银、铝、铜、铂、钛或铬。

由于衬底和二维材料的热膨胀系数不同。加热转移之后的自然冷却过程，由于热应力的作用，导致覆盖在衬底上的二维材料形成波浪形褶皱。通常加热温度不能超过柔性材料的玻璃化温度，一般控制在100度左右。与常规技术相比，本申请的主要区别是利用相变材料在应力情况下发生导电性能的变化，本发明中由于褶皱的存在，应力施加范围广，变化明显。

本发明的工作原理如下：当衬底发生拉伸或压缩时，二维相变材料受到的应力也相应地产生和释放，从而半导体相和金属相发生缓慢的相变。在相变后，二维相变材料的层薄膜电阻发生变化，当其相变程度的不同时电阻值也不同。通过两端电极测量其电阻，可以得到其电阻关于受应力程度的关系，从而制成应力传感器。

与目前通用的应力传感器相比，本发明具有的有益效果是：

(1)本发明中采用的二维相变材料二碲化钼，同质结效率高，电子在二碲化钼中的运动速率快，传感器的响应快。

(2)本发明中采用的二维相变材料二碲化钼薄膜在受到应力作用时便可产生由半导体到金属的相变，引起材料电阻的变化，传感器具有超高的灵敏度。

(3)本发明中采用的二维相变材料二碲化钼具有独特二维平面结构，能够与现代高科技的微纳加工技术相衔接，可以很好地实现传感器的高密度集成，提高了器件的便携性。

附图说明

图1为本发明制备的微应力传感器在制备过程中冷却收缩时产生应变时的结构示意图；

图中标记说明：

1-衬底，2-二维相变材料，3-金属电极A，4-金属电极B。

具体实施方式

下文结合特定实例说明的实施方式，此处的实施例及各种特征和有关细节将参考附图中图示以及以下描述中详述的非限制性实施例而进行更完整的解释。省略众所周知的部件和处理技术的描述，以免不必要的使此处的实施例难以理解。在制作所述结构时，可以使用半导体工艺中众所周知的传统工艺。此处使用的示例仅仅是为了帮助理解此处的实施例可以被实施的方式，以及进一步使得本领域技术人员能够实施此处的实施例。因而，不应将此处的示例理解为限制此处的实施例的范围。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

一种利用二维相变材料2制备应力传感器的方法，具体如下：

首先，采用柔性材料作为衬底1，并清洗衬底1。

之后，将衬底1加热到100℃；接着在衬底1上通过转移的方法覆盖一层二维相变材料2，二维相变材料2为单层二碲化钼，厚度为1nm；可采用机械剥离法制备该层二维相变材料2，之后通过现有转移技术转移覆盖在衬底1上。

随后，冷却至室温，使得衬底1收缩，进而使得二维相变材料2产生收缩应力并弯曲，形成波浪形褶皱；

再在二维相变材料2上通过光刻掩膜在两端由电子束蒸发淀积一层100nm厚的金属铬膜，然后通过剥离工艺制成金属形成两个电极层，分别为金属电极A 3和金属电极B 4。

实施例2：

一种利用二维相变材料2制备应力传感器的方法，具体如下：

首先，采用柔性材料作为衬底1，并清洗衬底1。

之后，将衬底1加热到100℃；接着通过CVD法生长一层二维相变材料2并覆盖在衬底1上，二维相变材料2为单层二碲化钼，厚度为1nm。

随后，冷却至室温，使得衬底1收缩，进而使得二维相变材料2产生收缩应力并弯曲，形成波浪形褶皱；

再以铜制掩膜为模板，利用真空镀膜机在二维相变材料2二碲化钼的表面两端淀积一层100nm厚的金属金膜，然后通过剥离工艺形成两个电极层，分别为金属电极A 3和金属电极B 4。

上述实施例中，制备得到的微应力传感器可参见图1所示。

实施例3-7

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中金属铬膜的材质分别改为采用银、铝、铜、铂、钛。

实施例8-10

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中二维相变材料2二碲化钼分别改为采用二硫化钼、二硒化钼和二硫化钨。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微应力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)取柔性材料作为衬底，并加热到100℃及以上；

(2)在加热后膨胀的衬底上转移覆盖一层二维相变材料，冷却至室温，使得衬底收缩，进而使得二维相变材料弯曲形成波浪形褶皱；

(3)在形成波浪形褶皱的二维相变材料的两端分别生长一个金属电极，即完成微应力传感器的制备。

2.根据权利要求1所述的一种微应力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的柔性材料为聚对苯二甲酸乙二酯或聚酰亚胺PI。

3.根据权利要求1所述的一种微应力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的二维相变材料为具有半导体-金属相变特性的材料，其厚度为1nm。

4.根据权利要求1或3所述的一种微应力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的二维相变材料为单层二碲化钼、二硫化钼、二硒化钼或二硫化钨。

5.根据权利要求1所述的一种微应力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，冷却的方式为自然冷却。

6.根据权利要求1所述的一种微应力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，金属电极的材料为金、银、铝、铜、铂、钛或铬。