CN110143563A - 肖特基传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种肖特基传感器系统，包括：肖特基传感器；以及摩擦纳米发电机，与所述肖特基传感器连接，用于提供改变所述肖特基传感器的肖特基势垒的脉冲电压，以调节所述肖特基传感器的灵敏度。本公开肖特基传感器系统，适用于任何类型的肖特基传感器，能显著提高肖特基传感器检测的灵敏度和响应恢复时间，结构简单，成本低。

Description

肖特基传感器系统
技术领域
本公开属于传感技术领域，具体是涉及一种利用摩擦纳米发电机增强肖特基传感器高灵敏度的肖特基传感器系统。
背景技术
传感技术、通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息收集手段，对提高经济效益、科学研究与生产技术的水平有着举足轻重的作用。特别是物联网(Internet of Things)和电子皮肤(Electronic Skin或E-skin)概念的提出和快速发展，对传感器和传感技术提出了更高的要求。目前，传感技术已渗透到科学和国民经济的各个领域，许多尖端科学和新兴技术更是需要新型传感器来装备，同时也为传感器技术展现了一个更加广阔的应用领域和发展前景。传感器在国民生活中肩负着检测和监测的重要作用。
作为传感器，人们希望传感器具有高的灵敏度(既检测范围宽且响应值大)和快速的响应和回复(检测速度快)。人们能够快速的获得待测目标的量或强度的变化，及时获得待测目标的变化信息，为人们采取相应的预防措施争取必要的时间。其中，金属与半导体形成的肖特基结作为传感器具有灵敏度高成为人们常用的器件。此外，肖特基结具有开关响应迅速、正向导通电压低、结构简单等优点。随着人们对传感器的要求越来越高，各国研究者都在寻找能够提高肖特基传感器件性能的方法。王中林院士在研究ZnO一维材料作为肖特基传感器时发现通过微量变形(千分之几)压电效应形成的内电势可以改变肖特基势垒的高度，进而提高了检测的灵敏度。采用压电效应改变肖特基势垒的方式固然能够提高肖特基器件检测的灵敏度，但是存在以下四个方面缺陷：1)压电增强效应只适合对具有压电效应的半导体材料(如GaN、ZnO、CdS和ZnSe等)；2)器件在服役环境中存在不允许器件产生形变的情况；3)微量形变在实际器件中不易获得或会增加器件的复杂性和成本；4)压电效应的存在造成器件在服役过程性能的不稳定。
因此，亟需提出一种简单、稳定、能够在外部提高肖特基传感器件灵敏度的新型传感器系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种利用摩擦纳米发电机提高肖特基结传感器检测的灵敏度和响应回复时间的肖特基传感器系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种肖特基传感器系统，包括：
肖特基传感器；以及
摩擦纳米发电机，与所述肖特基传感器连接，用于提供改变所述肖特基传感器的肖特基势垒的脉冲电压，以调节所述肖特基传感器的灵敏度。
在一些实施例中，所述的系统还包括：信号收集器，与所述肖特基传感器连接，用于收集所述肖特基传感器获取的信号。
在一些实施例中，所述的系统还包括：开关，其一端与所述信号收集器连接，另一端与所述肖特基传感器连接。
在一些实施例中，在所述摩擦纳米发电机对所述肖特基传感器输出脉冲电压时，所述开关处于断开状态，用以屏蔽所述摩擦纳米发电机输出脉冲电压对所述信号收集器的影响；在所述肖特基传感器进行检测、所述摩擦纳米发电机未对所述肖特基传感器输出脉冲电压时，所述开关处于闭合状态。
在一些实施例中，通过所述摩擦纳米发电机提供的脉冲电压产生镜像力降低所述肖特基传感器的肖特基势垒的高度，从而提高所述肖特基传感器的灵敏度。
在一些实施例中，所述肖特基势垒高度的降低量满足以下关系式：式中qΔφ为镜像力引起的肖特基势垒高度的降低量，q为元电荷，ND为施主掺杂浓度，εs为半导体的介电常数，ε0为真空介电常数，VD内建电势电压，V为摩擦纳米发电机提供的脉冲电压。
在一些实施例中，所述摩擦纳米发电机的发电模式为垂直接触分离模式、单电极模式、线性滑动模式或自由摩擦层模式。
在一些实施例中，所述摩擦纳米发电机的发电模式为滑动模式，通过手动旋转或机械旋转使所述滑动模式摩擦纳米发电机产生电压输出；或所述摩擦纳米发电机的发电模式为垂直接触分离模式，通过手动拍打或机械拍打方式让垂直接触分离模式摩擦纳米发电机产生电压输出。
在一些实施例中，所述肖特基传感器包括光传感器、生物分子传感器、压力传感器及气体传感器；所述摩擦纳米发电机的摩擦层材料采用铝箔和Kapton。
在一些实施例中，所述摩擦纳米发电机的输出电压在50V～2000V之间，频率大于等于0.5HZ，脉冲次数小于2000次。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开肖特基传感器系统至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本公开肖特基传感器系统适用于各种类型的传感器，例如光传感、分子传感和压力传感等，均能显著的提高检测的灵敏度和响应恢复时间。
(2)本公开肖特基传感器系统，利用摩擦纳米发电机有效的提高了肖特基结传感器检测的灵敏度和响应回复时间，具有结构简单、灵敏度高、成本低等优点。
(3)本公开肖特基传感器系统，采用开关屏蔽TENG的高电压对所述信号收集器的影响，避免了摩擦纳米发电机的高电压对所述信号收集器的损伤和影响。
附图说明
图1为依据本公开利用TENG增强高肖特基传感器灵敏度的肖特基传感器系统的示意图。
图2为依据本公开实施例肖特基传感器系统示意图。
图3原始状态Ag-ZnO紫外传感器的响应恢复曲线图。
图4利用TENG处理20次后传感器响应回复曲线图。
【符号说明】
1-摩擦纳米发电机；2-肖特基传感器；3-信号收集器；4-开关；5-导线。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开的保护范围。
为了克服上述问题，本公开提供一种利用摩擦纳米发电机提高肖特基结传感器检测的灵敏度和响应回复时间的肖特基传感器系统，本公开主要利用摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator，简称TENG)高电压低电流的特性，通过TENG调整肖特基传感器肖特基势垒的高度，从而提高肖特基传感器的灵敏度。
如图1所示，本公开一种肖特基传感器系统，包括：
肖特基传感器；以及
摩擦纳米发电机，与所述肖特基传感器连接，用于提供改变所述肖特基传感器的肖特基势垒的脉冲电压，以调节所述肖特基传感器的灵敏度。
其中，所述肖特基传感器可包括光传感器、生物分子传感器、压力传感器、气体传感器等任意类型的传感器。
由此，本公开提供了一种物理的、实时的、瞬时的提高肖特传感器灵敏度的肖特基传感器系统，解决了采用压电效应提高肖特基传感器灵敏度在微量形变实现和器件性能稳定性方面的难题，以及解决了不具有压电效应的半导体材料构成的肖特基传感器调整肖特势垒的困难，相较于现有肖特基传感器系统，本公开传感器系统更加简单、有效、安全。
进一步的，所述肖特基传感器系统还可包括：信号收集器，与所述肖特基传感器连接，用于收集所述肖特基传感器获取的信号。
更进一步的，所述肖特基传感器系统还可包括：开关，其一端与所述信号收集器连接，另一端与所述肖特基传感器连接。
本公开中复合肖特基传感器系统适用于各种类型传感器，例如光传感、分子传感和压力传感等，均能显著的提高检测的灵敏度和响应恢复时间
具体的，所述TENG的发电模式可以是垂直接触分离模式(vertical contact-separation mode)、单电极模式(single-electrode mode)、线性滑动模式(linearsliding mode)和自由摩擦层模式(freestanding triboelectric-layer mode)中的任意一种。
所述TENG的输出电压应该在50V～2000V之间，频率大于等于0.5HZ，次数小于2000次，具体需要可根据发电机的性能和肖特基结的种类确定。
本系统，将TENG的输出端连接肖特基传感器两端的接线端，对于接触分离模式摩擦纳米发电机，可通过手动拍打或机械拍打方式让发电机产生电压输出；对于滑动模式摩擦纳米发电机，也可发通过手动旋转或机械旋转让发电机产生电压输出。
通过几次电压的冲击，肖特基结处的势垒就会发生改变，其是由于摩擦纳米发电机输出高压产生的镜像力引起肖特基势垒的降低式中，qΔφ为镜像力引起的肖特基势垒的降低量，q为元电荷，ND为施主掺杂浓度，εs为半导体的介电常数，ε0为真空介电常数，VD内建电势电压，V为施加的外部电压。当外部电压较大时，镜像力引起的势垒降低量就较为明显，而TENG的输出电压高，且是脉冲电压，电流小，既能够对肖特基二极管传感器的肖特基势垒进行改变，又不会对器件造成破坏性的损伤，为肖特基传感器器势垒的改变提供了一个简单且易获得的高压源。
所述肖特基传感器的两端连接所述信号收集器(电信号收集)，优选的，为了避免摩擦纳米发电机的高电压对所述信号收集器的损伤和影响，采用所述开关屏蔽TENG的高电压对所述信号收集器的影响，在TENG作用于肖特基传感器时，连接信号收集器的开关处于打开状态，TENG停止作用后，合上信号收集器与肖特基传感器连接线的开关，进行检测。
以下通过具体实施例对本公开做进一步说明，但不用于限制本公开。
如图2所示，本实例为TENG增强Ag-ZnO微米线紫外传感器。
具体的，TENG采用垂直接触分离模式，摩擦层材料采用铝(Al)箔和Kapton(高分子材料)，铝箔和Kapton的厚度分别为100μm和100μm。
清洗干净的Kapton背面采用磁控溅射的方式溅射100nm的铜作为背电极，溅射功率为100W，时间为15min。
Al箔既充当摩擦层又充当电极层。随后Al箔和Kapton分别采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀300s，在表面形成纳米结构。
用剪刀裁剪15cm×15cm大小的Al箔和Kapton膜，将裁剪好的Al箔和Kapton背面采用银浆将铜导线连接到发电机上作为输出端。
摩擦层采用Kapton胶带固定到亚克力板(17cm×17cm)上，四周采用弹簧产生回弹力，由此制备得到摩擦纳米发电机。发电机的输出电压为400V(脉冲)，电流为20μA。
本实施例中，ZnO微米线采用气-固(V-S法)制得，具体制备步骤如下：
(1)将纯度为99.99％的ZnO和碳粉(99.99％)按质量比1∶1混合并研磨均勾。
(2)将硅片(100)切成合适尺寸，依次进行丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，并用氮气吹干，作为生长基底。
(3)将装有配好的ZnO和碳的混合粉末石英舟放入将石英管中，通入氩气和氧气(Ar∶O2＝10∶1)，石英管加热到1050℃反应40min，得到ZnO微米线。
ZnO微米线制备好之后，采用0.3mm铜导线将单根ZnO微米线转置到切好的石英片或载玻片上，ZnO两端点银浆的方式两端分别固定两根0.3mm铜导线，其中两根(一端一根)铜导线与摩擦纳米发电机相连，另外两根铜导线(一端一根)与信号收集器相连。
在所述信号收集器与两根铜导线之间都连接开关进行控制。
测试过程中，首先，将信号收集器与Ag-ZnO肖特基传感器的开关合上，采用365nm的紫外光照射，测试其灵敏度与响应回复时间。将信号收集器Ag-ZnO肖特基传感器之间的开关断开，通过拍打的方式拍打发电机20次，接通开关，照射紫外光，测试其灵敏度与响应回复时间。
经对比发现，TENG处理后，其响应电流及响应时间，恢复时间均有大幅度改善，其中，开关比由650增加为10450，响应时间由8.44s缩短为1.73s，恢复时间由8.44s缩短为0.4s，器件紫外光的响应电流从nA提高到μA，如图3和图4所示，显著的提高了Ag-ZnO的灵敏度和响应回复时间。
需要说明的是，本公开中摩擦纳米发电机的模式、材质、制备工艺、厚度；肖特基传感器的类型、制备工艺等并不限于上述具体实施例中记载的，本领域技术人员可适当调整，均不影响本公开的实现。
综上，本公开提出的基于TENG提高肖特基传感器灵敏度的复合肖特基传感器系统，结构简单、灵敏度高、成本低。
至此，已经结合附图对本公开多个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种肖特基传感器系统，包括：
肖特基传感器；以及
摩擦纳米发电机，与所述肖特基传感器连接，用于提供改变所述肖特基传感器的肖特基势垒的脉冲电压，以调节所述肖特基传感器的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：信号收集器，与所述肖特基传感器连接，用于收集所述肖特基传感器获取的信号。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括：开关，其一端与所述信号收集器连接，另一端与所述肖特基传感器连接。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，
在所述摩擦纳米发电机对所述肖特基传感器输出脉冲电压时，所述开关处于断开状态，用以屏蔽所述摩擦纳米发电机输出脉冲电压对所述信号收集器的影响；
在所述肖特基传感器进行检测、所述摩擦纳米发电机未对所述肖特基传感器输出脉冲电压时，所述开关处于闭合状态。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，通过所述摩擦纳米发电机提供的脉冲电压产生镜像力降低所述肖特基传感器的肖特基势垒的高度，从而提高所述肖特基传感器的灵敏度。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述肖特基势垒高度的降低量满足以下关系式：式中qΔφ为镜像力引起的肖特基势垒高度的降低量，q为元电荷，ND为施主掺杂浓度，εs为半导体的介电常数，ε0为真空介电常数，VD内建电势电压，V为摩擦纳米发电机提供的脉冲电压。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述摩擦纳米发电机的发电模式为垂直接触分离模式、单电极模式、线性滑动模式或自由摩擦层模式。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，
所述摩擦纳米发电机的发电模式为滑动模式，通过手动旋转或机械旋转使所述滑动模式摩擦纳米发电机产生电压输出；或
所述摩擦纳米发电机的发电模式为垂直接触分离模式，通过手动拍打或机械拍打方式让垂直接触分离模式摩擦纳米发电机产生电压输出。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，所述肖特基传感器包括光传感器、生物分子传感器、压力传感器及气体传感器；所述摩擦纳米发电机的摩擦层材料采用铝箔和Kapton。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述摩擦纳米发电机的输出电压在50V～2000V之间，频率大于等于0.5HZ，脉冲次数小于2000次。
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Applicant after: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems

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