CN109950319B - 一种真空计及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空计及其工作方法，该真空计的核心是由三氧化钨薄膜沟道、离子凝胶、源极、漏极及栅极构成的平面薄膜晶体管结构。其中，源、漏极与三氧化钨薄膜沟道两端相连，栅极与沟道隔离，离子凝胶覆盖于沟道表面，并与栅极相连。将源极、漏极及栅极外接电压、电流测试源表，即构成一个完整的真空计。通过对栅极施加较小的偏压，可实现对三氧化钨薄膜沟道电阻的调控，三氧化钨薄膜的阻变幅值与真空度存在明显的线性关系。基于该原理，本发明真空计具有结构简单、配置灵活、量程大、成本低、体积小、能耗少的优点。此外，若采用柔性的云母衬底，该真空计可以在弯曲状态下工作，能够满足内部具有不同几何构造的设备的测试要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空计及其工作方法。利用在栅压作用下三氧化钨薄膜沟道的阻变幅值与真空度的线性变化关系来实现真空度测量的新方法。
背景技术
真空计是一种测量低于一个大气压的气体压强的仪器，广泛使用于科研和工业生产。目前，真空计的种类繁多，具有不同的测量范围和测量精度，适用于不同的测试要求。
一般地，真空计利用不同气压下气体的某种物理效应的变化规律对气压进行测定。根据真空计测量气压的物理机制的不同，主要分为三类，分别是利用力学性能、气体动力学性能及带电粒子效应的真空计。对于高真空的测量，最为常见是基于带电粒子效应的真空电离计，如热阴极电离规、冷阴极电离规。工作原理是将真空中的气体电离，产生离子，由收集极收集产生的离子，形成离子电流，通过测量离子电流的大小即可推算出真空中气体分子的密度，进而得到气压大小。尽管这种真空计测量范围大，但是结构复杂，体积较大，在使用时也需要在不同气体下进行标定。除此之外，真空电离计在使用时需要施加较高的电场或磁场，对于佩戴心脏起搏器等电子医疗器件的工作人员十分不利。
发明内容
为了克服上述真空计的缺点，本发明的目的是提供一种真空计及工作方法，以弥补上述背景中的不足。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种真空计，该真空计的核心是平面薄膜晶体管结构，包括绝缘衬底、三氧化钨薄膜沟道、源极、漏极、栅极及离子凝胶；所述源极、漏极与三氧化钨薄膜沟道两端相连，栅极与三氧化钨薄膜沟道隔离，离子凝胶覆盖于三氧化钨薄膜沟道表面，并与栅极相连；将源极、漏极及栅极外接电压、电流测试源表，即构成所述的真空计。
所述绝缘衬底为刚性的LaAlO3、Al2O3、硅、石英、玻璃、柔性PET、PEN、PI有机膜、白云母、黑云母或金云母薄片。
所述三氧化钨薄膜为单晶、多晶或非晶；三氧化钨薄膜沟道层厚度为10~100nm，宽度为100~500μm，长度为100~2000μm。
所述离子凝胶为柔性、透明的；离子凝胶包括离子液体和有机聚合物，厚度为20~1000μm。
所述源极、漏极以及栅极为金属电极或透明导电氧化物电极；厚度为10~1200nm ；其中，所述透明导电氧化物为ITO、AZO和GAZO其中之一。
本发明还提供一种如上所述的一种真空计的工作方法，若向所述真空计的栅极施加2-4V的正向偏压，则通过测试三氧化钨薄膜沟道的阻变幅值与真空度的关系，获得真空度信息。
本发明的有益效果：
1、测量范围较宽，在1-10-6 mbar区间内不需要分段测量。
2、工作电压小，能耗少。
3、平面化，体积小。沟道层、源极、漏极及栅极的位置、形状、大小及厚度可调，配置灵活，工艺简单。
4、作为衬底的天然云母及离子凝胶均为柔性、透明的，具备可弯曲性能，能够满足内部具有不同几何构造的设备的测试要求。
5、测试条件要求低，不需要强电场或磁场，对佩戴心脏起搏器等电子医疗器件的工作人员无影响。
附图说明
图1为本发明所述真空计的一种制备示意图；
图2为本发明中所用透明柔性的云母衬底实物示意图；
图3为本发明中所用固态柔性离子凝胶实物示意图；
图4为本发明实施例1中制备的真空计沟道电导变化率随真空度的变化关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，均属于本发明的保护范围。
图1为本发明所述真空计的一种制备示意图：
(a) 准备衬底。通过简单机械剥离的方法制备可以制备表面粗糙度小于1 nm的透明柔性云母片衬底1。其他刚性衬底如LaAlO3、Al2O3、硅、石英、玻璃、PET、PEN、PI有机膜等使用前需保证表面清洁。
(b) 通过脉冲激光沉积的方法，利用金属掩膜版沉积一层WO3沟道2，沟道2层厚度为10~100nm，宽度为100~500 μm，长度为100~2000 μm。
(c) 利用金属掩膜版，通过热蒸发沉积技术在WO3沟道两侧沉积源极3，漏极5，以及栅极4为金属电极，或通过磁控溅射技术沉积透明导电氧化物电极，如ITO、AZO、GAZO等，厚度为10~1200nm。源、漏极与三氧化钨薄膜沟道2两端相连，栅极4与沟道2隔离。
(d) 将离子凝胶6转移、覆盖于沟道2表面，并与源极3、漏极5和栅极4接触。
图2 为透明柔性的云母衬底，包含天然云母和人工云母，如白云母、黑云母、金云母等。本发明所用衬底不局限于云母衬底，还包括PET、PEN、PI有机膜、LaAlO3、Al2O3、硅、石英、玻璃等刚性衬底。
图3 为透明柔性的离子凝胶。本发明所使用的离子凝胶为：离子液体甲基-二乙基-(2-甲氧乙基) 铵四氟硼酸盐（DEME-BF4）与高分子聚合物偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P(VDF-HFP)）以及无水丙酮，三者按质量比1:4:7制备出透明溶液，经过真空干燥48小时所得。本发明中所用离子凝胶都是通过上述方法得到，为避免重复，其制备过程在实施例中将不在赘述。
图4为实施例1中所制备的真空计中。施加+ 4V 的栅压，WO3沟道电导的变化率随真空度的变化关系图。可以看出电导变化率随真空度呈现明显的线性关系：
log [(G - G0) / G0] = 3.093 + 0.499 log p 。
本发明还提供一种如上所述的一种真空计的工作方法，若向所述真空计的栅极施加较小的正向偏压，则通过测试三氧化钨薄膜沟道的阻变幅值与真空度的关系，获得真空度信息。
实施例1
一种真空计的制备及其工作方法，包括以下步骤：
步骤一：选择柔性的天然云母作为衬底。使用刀片或者超声等手段获得表面粗糙度低于1 nm的云母片。
步骤二：在云母片上放一片金属掩膜版，利用激光沉积技术在镂空的掩膜版处沉积出矩形的WO3沟道。激光沉积过程中的所使用的各项参数为：衬底温度 500℃，激光波长248 nm, 激光能量 1.2 J cm-2, 脉冲频率 5 Hz，氧气偏压13 Pa, WO3薄膜厚度为100 nm。
步骤三：将具有电极形状镂空的金属掩膜版对准沟道，利用热蒸发技术，蒸镀厚度为110 nm的Cr/Au金属电极，作为栅极、源极及漏极。
步骤四：切下一块已制备好的离子凝胶贴在沟道与电极上，厚度为500 µm。
该真空计的工作方法如图4所示：在栅极上施加+4V电压，测试WO3沟道在不同的真空度下的电导变化率。很明显，电导变化率随真空度呈现明显的线性关系，据此可以得到真空度的具体数值。
实施例2
一种真空计的制备及其工作方法，包括以下步骤：
步骤一：选择柔性的天然云母作为衬底。使用刀片或者超声等手段获得表面粗糙度低于1 nm的云母片。
步骤二：在云母片上放一片金属掩膜版，利用激光沉积技术在镂空的掩膜版处沉积出矩形的WO3沟道。激光沉积过程中的所使用的各项参数为：衬底温度 500℃，激光波长248 nm, 激光能量 1.2 J cm-2, 脉冲频率 5 Hz，氧气偏压13 Pa, WO3薄膜厚度为100 nm。
步骤三：将具有电极形状镂空的金属掩膜版对准沟道，利用磁控溅射技术，蒸镀厚度为110 nm的ITO透明电极，作为栅极、源极及漏极。
步骤四：切下一块已制备好的离子凝胶贴在沟道与电极上，厚度为500 µm。
该真空计的工作方法：在栅极上施加+4V电压，测试WO3沟道在不同的真空度下的电导变化率。根据电导变化率的数值可以计算得到真空度的具体数值。
实施例3
一种真空计的制备及其工作方法，包括以下步骤：
步骤一：选择刚性衬底SiO2/Si作为衬底。先后使用丙酮、乙醇超声清洗5min，确保表面洁净。
步骤二：在SiO2/Si衬底上放一片金属掩膜版，利用激光沉积技术在镂空的掩膜版处沉积出矩形的WO3沟道。激光沉积过程中的所使用的各项参数为：衬底温度 500℃，激光波长248 nm, 激光能量 1.2 J cm-2, 脉冲频率 5 Hz，氧气偏压13 Pa, WO3薄膜厚度为100nm。
步骤三：将具有电极形状镂空的金属掩膜版对准沟道，利用磁控溅射技术，蒸镀厚度为110 nm的ITO透明电极，作为栅极、源极及漏极。
步骤四：切下一块已制备好的离子凝胶贴在沟道与电极上，厚度为500 µm。
该真空计的工作方法：在栅极上施加+4V电压，测试WO3沟道在不同的真空度下的电导变化率。根据电导变化率的数值可以计算得到真空度的具体数值。
实施例4
一种真空计的制备及其工作方法，包括以下步骤：
步骤一：选择刚性衬底LaAlO3作为衬底。先后使用丙酮、乙醇超声清洗5min，确保表面洁净。
步骤二：在LaAlO3衬底上放一片金属掩膜版，利用激光沉积技术在镂空的掩膜版处沉积出矩形的WO3沟道。激光沉积过程中的所使用的各项参数为：衬底温度 600℃，激光波长248 nm, 激光能量 1.2 J cm-2, 脉冲频率 5 Hz，氧气偏压13 Pa, WO3薄膜厚度为100nm。
步骤三：将具有电极形状镂空的金属掩膜版对准沟道，利用热蒸发技术，蒸镀厚度为110 nm的Cr/Au金属电极，作为栅极、源极及漏极。
步骤四：在沟道与电极上旋涂一层厚度为20微米的离子凝胶。
该真空计的工作方法：在栅极上施加+4V电压，测试WO3沟道在不同的真空度下的电导变化率。根据电导变化率的数值可以计算得到真空度的具体数值。
实施例5
一种真空计的制备及其工作方法，包括以下步骤：
步骤一：选择刚性衬底玻璃作为衬底。先后使用丙酮、乙醇超声清洗5min，确保表面洁净。
步骤二：在玻璃衬底上放一片金属掩膜版，利用激光沉积技术在镂空的掩膜版处沉积出矩形的WO3沟道。激光沉积过程中的所使用的各项参数为：衬底温度 600℃，激光波长248 nm, 激光能量 1.2 J cm-2, 脉冲频率 5 Hz，氧气偏压13 Pa, WO3薄膜厚度为100nm。
步骤三：将具有电极形状镂空的金属掩膜版对准沟道，利用热蒸发技术，蒸镀厚度为110 nm的Cr/Au金属电极，作为栅极、源极及漏极。
步骤四：在沟道与电极上旋涂一层厚度为20微米的离子凝胶。
该真空计的工作方法：在栅极上施加+4V电压，测试WO3沟道在不同的真空度下的电导变化率。根据电导变化率的数值可以计算得到真空度的具体数值。
实施例6
一种真空计的制备及其工作方法，包括以下步骤：
步骤一：选择柔性的天然云母作为衬底。使用刀片或者超声等手段获得表面粗糙度低于1 nm的云母片。
步骤二：在云母片上放一片金属掩膜版，利用磁控溅射技术在镂空的掩膜版处沉积出矩形的非晶的WO3沟道。
步骤三：将具有电极形状镂空的金属掩膜版对准沟道，利用磁控溅射技术，蒸镀厚度为110 nm的ITO透明电极，作为栅极、源极及漏极。
步骤四：切下一块已制备好的离子凝胶贴在沟道与电极上，厚度为500 µm。
该真空计的工作方法：在栅极上施加+4V电压，测试WO3沟道在不同的真空度下的电导变化率。根据电导变化率的数值可以计算得到真空度的具体数值。
实施例7
一种真空计的制备及其工作方法，包括以下步骤：
步骤一：选择柔性的天然云母作为衬底。使用刀片或者超声等手段获得表面粗糙度低于1 nm的云母片。
步骤二：在云母片上放一片金属掩膜版，利用磁控溅射技术在镂空的掩膜版处沉积出矩形的非晶的WO3沟道。
步骤三：将具有电极形状镂空的金属掩膜版对准沟道，利用磁控溅射技术，蒸镀厚度为110 nm的Pt金属电极，作为栅极、源极及漏极。
步骤四：切下一块已制备好的离子凝胶贴在沟道与电极上，厚度为500 µm。
该真空计的工作方法：在栅极上施加+4V电压，测试WO3沟道在不同的真空度下的电导变化率。根据电导变化率的数值可以计算得到真空度的具体数值。
Claims (6)
1.一种真空计，该真空计基于平面薄膜晶体管结构，其特征在于：包括绝缘衬底（1）、三氧化钨薄膜沟道（2）、源极（3）、漏极（5）、栅极（4）及离子凝胶（6）；所述源极（3）、漏极（5）与三氧化钨薄膜沟道（2）两端相连，栅极（4）与三氧化钨薄膜沟道（2）隔离，离子凝胶（6）覆盖于三氧化钨薄膜沟道（2）表面，并与栅极（4）相连；将源极（3）、漏极（5）及栅极（4）外接电压、电流测试源表，即构成所述的真空计。
2.根据权利要求1所述的真空计，其特征在于：所述绝缘衬底为刚性的LaAlO3、Al2O3、硅、石英、玻璃、柔性PET、PEN、PI有机膜、白云母、黑云母或金云母薄片。
3.根据权利要求1所述的真空计，其特征在于，所述三氧化钨薄膜为单晶、多晶或非晶；三氧化钨薄膜沟道层厚度为10~100nm，宽度为100~500μm，长度为100~2000μm。
4.根据权利要求1所述的真空计，其特征在于：所述离子凝胶为柔性、透明的；离子凝胶包括离子液体和有机聚合物，厚度为20~1000μm。
5.根据权利要求1所述的真空计，其特征在于：所述源极、漏极以及栅极为金属电极或透明导电氧化物电极；厚度为10~1200nm ；其中，所述透明导电氧化物为ITO、AZO和GAZO其中之一。
6.一种如权利要求1至5中任一项所述的真空计的工作方法，其特征在于：若向所述真空计的栅极施加2-4 V 的正向偏压，则通过测试三氧化钨薄膜沟道的阻变幅值与真空度的关系，获得真空度信息。
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