CN111551292A - 一种基于场效应管的二硫化钼拉力探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于场效应管的二硫化钼拉力探测器，将二硫化钼层、弹性层、金属层用作场效应管的栅极。在拉力作用下，因为压电效应，二硫化钼层的两侧出现异号电荷，异号电荷的数量与拉力相关，该电荷通过电荷之间的耦合在金属层与二硫化钼层之间形成电场，该电场改变沟道中载流子的浓度，引起场效应管的电信号改变，通过测试该电信号的实现拉力的探测。传统基于二硫化钼层的力学探测器均是测量二硫化钼层两侧的电信号，探测灵敏度低。本发明将二硫化钼层聚集的电荷用于场效应管的栅极，利用了场效应管对栅极所产生电场的灵敏性，构建了基于二硫化钼层的更高灵敏度探测器，基于该原理的力学探测器在力信号探测领域具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及拉力探测领域，具体涉及一种基于场效应管的二硫化钼拉力探测器。
背景技术
力的探测属于基础物理量探测领域。由于二维材料二硫化钼的压电特性对其形变非常敏感、材料尺寸小等优点，基于二硫化钼的力学传感器具有很好的应用前景。传统通过电流测试，直接表征出现在二硫化钼材料两端的电压，测量的灵敏度低。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种基于场效应管的二硫化钼拉力探测器，该拉力探测器包括衬底、金属层、绝缘层、半导体层、弹性层、二硫化钼层、固定块、移动块、源极、漏极，金属层置于衬底的上表面的中部，绝缘层置于衬底的上表面及金属层的外侧，金属层和绝缘层具有相同的厚度，半导体层置于金属层和绝缘层上，弹性层置于半导体层上，二硫化钼层置于弹性层上，弹性层为绝缘材料，固定块固定在半导体层上，弹性层的一端固定在的固定块上，弹性层的另一端固定在移动块上，使用时，通过移动块施加拉力，在自然状态和拉伸状态下，二硫化钼层均不超出金属层的范围，源极和漏极设置在半导体层上，并且置于金属层两侧的绝缘层的上部。
更进一步地，半导体层为硅半导体，硅半导体的厚度小于2微米。
更进一步地，弹性层的厚度从固定块向移动块逐渐减小。
更进一步地，半导体层的厚度从固定块向移动块逐渐减小。
更进一步地，源极为金、铝、钛材料。
更进一步地，漏极为金、铝、钛材料。
更进一步地，固定块、移动块与源极、漏极均不接触。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于场效应管的二硫化钼拉力探测器，将二硫化钼层、弹性层、金属层用作场效应管的栅极。在拉力作用下，因为压电效应，二硫化钼层的两侧出现异号电荷，异号电荷的数量与拉力相关，该电荷通过电荷之间的耦合在金属层与二硫化钼层之间形成电场，该电场改变沟道中载流子的浓度，引起场效应管的电信号改变，通过测试该电信号的实现拉力的探测。传统基于二硫化钼层的力学探测器均是测量二硫化钼层两侧的电信号，探测灵敏度低。本发明将二硫化钼层聚集的电荷用于场效应管的栅极，利用了场效应管对栅极所产生电场的灵敏性，构建了基于二硫化钼层的更高灵敏度探测器，基于该原理的力学探测器在力信号探测领域具有较好的应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是基于场效应管的二硫化钼拉力探测器的示意图。
图中：1、衬底；2、金属层；3、绝缘层；4、半导体层；5、弹性层；6、二硫化钼层；7、固定块；8、移动块；9、源极；10、漏极。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本发明提供了一种基于场效应管的二硫化钼拉力探测器，如图1所示，该拉力探测器包括衬底1、金属层2、绝缘层3、半导体层4、弹性层5、二硫化钼层6、固定块7、移动块8、源极9、漏极10。金属层2置于衬底1的上表面的中部。绝缘层3置于衬底1的上表面及金属层2的外侧。金属层2和绝缘层3具有相同的厚度。半导体层4置于金属层2和绝缘层3上。弹性层5置于半导体层4上，二硫化钼层6置于弹性层5上。弹性层5为绝缘材料。固定块7固定在半导体层4上，弹性层5的一端固定在的固定块7上，弹性层5的另一端固定在移动块8上。使用时，通过移动块8施加拉力。在自然状态和拉伸状态下，二硫化钼层6均不超出金属层2的范围，也就是图1中金属层2的水平范围。源极9和漏极10设置在半导体层4上，并且置于金属层2两侧的绝缘层3的上部。源极9为金、铝、钛材料。漏极10为金、铝、钛材料。在实际应用中，半导体层4不一定全部覆盖绝缘层3，但是要覆盖部分绝缘层3，源极9和漏极10设置在绝缘层3对应的位置。否则，如果源极9和漏极10设置在金属层2上侧，将有大部分电流在金属层2中流动，与本发明的核心思路不符，实现不了本发明的核心思路。在实际应用中，固定块7也可以通过绝缘材料固定在源极9上，主要能够固定即可。固定块7、移动块8与源极9、漏极10均不直接接触。
本发明中，二硫化钼层6、弹性层5、金属层2用作场效应管的栅极。使用时，在拉力作用下，因为压电效应，二硫化钼层6的两侧出现异号电荷，异号电荷的数量与拉力相关，该电荷通过电荷之间的耦合在金属层2与二硫化钼层6之间形成电场，该电场改变沟道中载流子的浓度，引起源极9和漏极10间的电信号改变，通过测试该电信号实现拉力的探测。传统基于二硫化钼层6的力学探测器均是测量二硫化钼层6两侧的电信号，探测灵敏度低。本发明将二硫化钼层6聚集的电荷用于场效应管的栅极，利用了场效应管对栅极所产生电场的灵敏性，构建了基于二硫化钼层6的更高灵敏度探测器，基于该原理的力学探测器在力信号探测领域具有较好的应用前景。
更进一步地，半导体层4为硅半导体，所述硅半导体的厚度小于2微米。半导体层4还可以为掺杂的硅半导体。硅半导体的厚度不能太厚，以便于在半导体层4产生相对较强的电场，提高载流子浓度改变的相对程度。也就是说，当半导体层4厚度小时，电场更强，对载流子浓度改变更多。
实施例2
在实施例1的基础上，弹性层5的厚度从固定块7向移动块8逐渐减小。也就是说，在图1中，弹性层5的左侧较厚，逐渐地弹性层5的右侧较薄。这样一来，当在外力的作用下，移动块8向右侧移动时，在二硫化钼层6的右侧，二硫化钼层6与金属层2之间的距离变小。这样一来，在施加拉力时，一方面二硫化钼层6产生更多的异号电荷，另一方面，二硫化钼层6与金属层2之间的距离变小，这两方面的效果更多地改变了半导体层4中的载流子浓度，所以对源极9和漏极10之间的电信号改变更多，所以提高了拉力探测的灵敏度。
实施例3
在实施例1的基础上，半导体层4的厚度从固定块7向移动块8逐渐减小。也就是说，在图1中，半导体层4左侧的厚度较大，半导体层4右侧的厚度较小。类似地，当在拉力作用下，二硫化钼层6向右侧伸长时，不仅在二硫化钼层6的两侧聚集更多电荷，而且二硫化钼层6右侧下部的半导体层4厚度减小，这都有利于在二硫化钼层6和金属层2之间形成更强的电场，对半导体层4中载流子浓度改变更大，对源极9和漏极10间的电信号改变更大，提高拉力探测的灵敏度。
更进一步地，半导体层4为在正常情况下，载流子浓度非均匀材料。也就是说在二硫化钼层6没有受到拉力，没有产生电荷，没有外加电场的情况下，半导体层4中的载流子浓度不均匀，这可以通过在半导体层4中通过施加不同程度的掺杂实现。载流子浓度从固定块7向移动块8方向逐渐减少。这样在二硫化钼层6伸长时，一方面，图1中二硫化钼层6右侧聚集更多的电荷，激发更强的电场，另一方面，此处半导体层4中的载流子浓度本来就少，在电场作用下，本来就少的载流子浓度又产生了进一步的改变，相对改变程度大，这样对源极9和漏极10之间的电信号改变更多，更进一步地提高探测灵敏度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于场效应管的二硫化钼拉力探测器，其特征在于，包括：衬底、金属层、绝缘层、半导体层、弹性层、二硫化钼层、固定块、移动块、源极、漏极，所述金属层置于所述衬底的上表面的中部，所述绝缘层置于所述衬底的上表面及所述金属层的外侧，所述金属层和所述绝缘层具有相同的厚度，所述半导体层置于所述金属层和所述绝缘层上，所述弹性层置于所述半导体层上，所述二硫化钼层置于所述弹性层上，所述弹性层为绝缘材料，所述固定块固定在所述半导体层上，所述弹性层的一端固定在所述的固定块上，所述弹性层的另一端固定在所述移动块上，使用时，通过所述移动块施加拉力，在自然状态和拉伸状态下，所述二硫化钼层均不超出所述金属层的范围，所述源极和所述漏极设置在所述半导体层上，并且置于所述金属层两侧的所述绝缘层的上部。
2.如权利要求1所述的基于场效应管的二硫化钼拉力探测器，其特征在于：所述半导体层为硅半导体，所述硅半导体的厚度小于2微米。
3.如权利要求2所述的基于场效应管的二硫化钼拉力探测器，其特征在于：所述弹性层的厚度从所述固定块向所述移动块逐渐减小。
4.如权利要求3所述的基于场效应管的二硫化钼拉力探测器，其特征在于：所述半导体层的厚度从所述固定块向所述移动块逐渐减小。
5.如权利要求1-4任一项所述的基于场效应管的二硫化钼拉力探测器，其特征在于：所述源极为金、铝、钛材料。
6.如权利要求5所述的基于场效应管的二硫化钼拉力探测器，其特征在于：所述漏极为金、铝、钛材料。
7.如权利要求6所述的基于场效应管的二硫化钼拉力探测器，其特征在于：所述固定块、所述移动块与所述源极、所述漏极均不接触。
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Cited By (1)
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| CN111998987A (zh) * | 2020-09-03 | 2020-11-27 | 西安柯莱特信息科技有限公司 | 一种高灵敏气压探测器 |
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2020
- 2020-05-18 CN CN202010419270.1A patent/CN111551292A/zh not_active Withdrawn
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