CN111157762B - 一种高灵敏度纳米线加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高灵敏度纳米线加速度传感器，桥接纳米线构成U型环路，其中一端的电极区域为悬空状态；桥接纳米线构成交叉结构，并在桥接纳米线中部附着质量块。本发明的传感器具有微型化、可集成、高灵敏度的特点。

Description

一种高灵敏度纳米线加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种高灵敏度纳米线加速度传感器，用于检测外界加速度。
背景技术
基于应变片的微悬臂梁传感器，被广泛用于检测加速度，其工作原理是：加速度在质量块上产生外力，外力通过质量块传递到悬臂梁应变片，从而应变片发生形变、并改变电阻，通过检测电阻变化获得加速度(Sensors and Actuators A,281,156-175,2018)。
为了实现传感器的微型化和高灵敏度，需要缩小应变片尺寸。半导体纳米线是最小的导电通道，而且微小的外力就可以使纳米线发生形变，因此具有高灵敏度。
但是，半导体纳米线的制备工艺复杂，需要经历剥离、排列、组装、光刻、镀膜等步骤，会损伤和污染纳米线。此外，纳米线的固定靠金属电极，金属电极与纳米线之间属于物理接触(附着力不够)，电极无法长期可靠的固定纳米线。纳米线桥接生长技术，可以有效解决这一问题。但是，纳米线结构纤细，如何针对桥接纳米线施加外力，从而制备出性能优异的纳米线加速度传感器，仍是目前的挑战。
综上所述，探索纳米线加速度传感器的结构以及制备工艺，是本发明的创研动机。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术之不足，提供一种高灵敏度纳米线加速度传感器及其制备方法。
本发明的技术方案：
一种高灵敏度纳米线加速度传感器，包括衬底、导电层和桥接纳米线，衬底上生长有导电层，衬底被刻蚀成凹槽结构，凹槽贯穿导电层，使得导电层被分隔成左侧导电层和右侧导电层，二者之间电绝缘；一侧导电层被分隔成两块相互绝缘的导电层，两侧导电层的侧壁上桥接纳米线，整体构成U型环路；纳米线为悬空状态，作为两侧导电层的导电通道，连接两侧的导电层。
进一步，所述的衬底被刻蚀成导电层为悬空状态，该侧导电层为合并的，即局部减薄；该悬空部分作为质量块，从而形成纳米线一端支撑质量块的悬臂梁结构。
进一步，该高灵敏度纳米线加速度传感器还包括质量块，衬底被刻蚀成环形凹槽结构，四周的导电层均为合并的，但相互间电绝缘，相对两侧导电层的侧壁上桥接纳米线，构成交叉结构，在纳米线的中部附着质量块。
同一排列方向的纳米线构成一个传感器。由于，相互垂直的纳米线(即两个不同的传感器)，对同一方向的外力(如惯性力)敏感程度不同；因此，通过对比两个传感器的检测信号，可识别外力的方向。
本发明的技术效果：
(1)与目前的薄膜应变片相比，纳米线具有更小的体积、更易于形变、以及更低的功耗；
(2)通过在交叉桥接纳米线表面附着质量块，增加了纳米线对加速度的灵敏度，并且可以识别加速度的方向；
(3)通过减薄U型环路的桥接纳米线，形成了纳米线一端支撑质量块的悬臂梁结构，该结构具有紧凑、一体化的优点。
附图说明
图1为U型环路桥接纳米线的示意图(截面图)。
图2为U型环路桥接纳米线的示意图(俯视图)。
图3为减薄后的U型环路桥接纳米线的示意图(截面图)。
图4为减薄后的U型环路桥接纳米线的示意图(俯视图)。
图5为交叉桥接纳米线的结构示意图(俯视图)。
图中：1导电层a；1-1导电层a1；1-2导电层a2；1-3导电层a3；1-4导电层a4；1-5导电层a5；1-6导电层a6；导电层b；3凹槽；4衬底；5纳米线a；5-1纳米线a1；5-2纳米线a2；6环形凹槽；7质量块；8纳米线b；8-1纳米线b1；8-2纳米线b2。
具体实施方式
下面将结合实施例以及附图对本发明加以说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
如图1和图2所示：首先，利用化学气相沉积(CVD)技术，在蓝宝石衬底4的表面生长1～10微米厚的n型GaN导电层，然后在衬底4表面刻蚀凹槽3。其中凹槽3贯穿导电层，使得导电层分隔成导电层a1和导电层b2(即导电层a1和导电层b2分布在凹槽3两侧、并且二者之间电绝缘)。
其次，在凹槽3侧壁桥接生长GaN纳米线5。纳米线5为悬空状态，并作为凹槽3两侧导电层a1和导电层b2的导电通道，连接凹槽3两侧的导电层a1和导电层b2。
接着，刻蚀凹槽一侧的导电层1a，将导电层a1分隔成两块相互绝缘的导电层a11-1与导电层a21-2，因此纳米线a5也分为纳米线a15-1与纳米线a25-2。其中纳米线a15-1桥接导电层a11-1与导电层b2，纳米线a25-2桥接导电层a21-2与导电层b2。此时，导电层a11-1与导电层a21-2之间构成U型环路，该环路包括纳米线a15-1与纳米线a25-2以及导电层b2。
最后，如图3和图4所示，从衬底背面局部减薄衬底4，并贯穿凹槽3的底部；同时，在衬底表面刻蚀环形凹槽6，并且与背面减薄区域贯通，从而使得导电层b2悬空。此时，纳米线a5支撑着悬空的导电层b2，从而形成具有纳米线悬臂梁结构的加速度传感器。其中，悬空导电层b2作为质量块。
当外界加速度作用于传感器时，加速度在质量块上产生作用力。该作用力使得桥接纳米线a5发生形变，从而改变纳米线的电阻。此时，通过检测导电层a11-1与导电层a21-2之间的电阻值(即U型环路的电阻值)，可以获知外界的加速度。当外力作用于悬空导电层b2时，也会使得纳米线a5发生形变，因此该传感器也可用于检测外界作用力。
实施例2
如图1和图5所示：首先，利用化学气相沉积(CVD)技术，在蓝宝石衬底4的表面生长1～10微米厚的n型硅导电层，然后在衬底4表面刻蚀凹槽3。其中凹槽3贯穿导电层，使得导电层分隔成相互绝缘的导电层a31-3、导电层a41-4、导电层a51-5和导电层a61-6。其中，导电层a31-3和导电层a41-4分布在环形凹槽6对面两侧，导电层a51-5和导电层a61-6分布在环形凹槽6另一对面两侧。
其次，在环形凹槽6侧壁桥接生长GaN纳米线b18-1与纳米线b28-2，该纳米线为悬空状态。其中，纳米线b18-1连接导电层a51-5和导电层a61-6，纳米线b28-2连接导电层a31-3和导电层a41-4。其中，纳米线b18-1与纳米线b28-2之间，既可以交叉连接，也可以相互独立。
最后，在纳米线b18-1与纳米线b28-2表面，分别附着质量块7，从而形成加速度传感器。
当外界加速度作用在传感器时，质量块7会产生惯性力(惯性力＝加速度×质量)。该惯性力使纳米线b18-1与纳米线b28-2发生形变，进而改变纳米线的电阻。当惯性力的方向与纳米线b18-1垂直时，该惯性力方向则与纳米线b28-2平行。与惯性力垂直的纳米线所产生的电阻变化量，要大于与惯性力平行的纳米线所产生电阻变化量。因此，通过对比这两种纳米线的电阻变化大小，可以获知惯性力的方向。当外力作用于质量块7时，也会使得纳米线发生形变，因此该传感器也可用于检测外界作用力。
以上所述实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种高灵敏度纳米线加速度传感器，其特征在于，该高灵敏度纳米线加速度传感器包括衬底、导电层和桥接纳米线，衬底上生长有导电层，衬底被刻蚀成凹槽结构，凹槽贯穿导电层，使得导电层被分隔成左侧导电层和右侧导电层，二者之间电绝缘；一侧导电层被分隔成两块相互绝缘的导电层，两侧导电层的侧壁上桥接纳米线，整体构成U型环路；纳米线为悬空状态，作为两侧导电层的导电通道，连接两侧的导电层；
所述的衬底被刻蚀成导电层为悬空状态，该侧导电层为合并的，即局部减薄；该悬空部分作为质量块，从而形成纳米线一端支撑质量块的悬臂梁结构。
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