CN111649818A - 一种基于结构超滑的无源传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于结构超滑的无源传感器，包括内置有半导体的基座，半导体具有平整的表面，上方设置有质量块，质量块的两端分别通过一对振动连接梁与电极连接，电极与所述基座连接。在质量块的下表面设置有一块或多块导电的超滑块。本发明实现了传感器可以在无外接电源或电池的情况下工作，提高能量转化效率和传感器灵敏度，极大延长器件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种基于结构超滑的无源传感器。
技术背景
随着物联网技术的发展，到2025年约300亿终端将形成互联，特别是对于埋藏在道路、桥梁、深山等传感终端，这些传感终端数量庞大、分布广泛且不易连线或更换，因此，希望给这些终端提供无需外界供能的传感器件。另外，对于埋藏在人体内的医疗传感器，反复取放会给患者带来痛苦甚至有生命危险，因此也希望传感器能够自身感知环境变化并把这种变化直接转化成电信号输出。
现有的自供能传感器内部有俘能器，其采集环境中的能量供传感器使用。但目前，现有的微型俘能器面临着摩擦力大、转化效率低，另外，由于磨损的缘故，导致传感器的使用寿命低，无法满足“一劳永逸”的使用要求。
结构超滑是解决摩擦磨损问题的理想方案之一，结构超滑是指两个原子级光滑且非公度接触的范德华固体表面(如石墨烯、二硫化钼等二维材料表面)之间摩擦、磨损几乎为零的现象。2004年，荷兰科学家J.Frenken的研究组通过实验设计，测量粘在探针上的一个几纳米大小(共约100个碳原子)的石墨片在高定向热解石墨(highly orientedpyrolytic graphite，HOPG)晶面滑动时的摩擦力，首次实验证实了纳米级超润滑的存在。2013年，郑泉水教授第一次在微米尺度发现HOPG(Highly Oriented Pyrolytic Graphite)片层材料之间的超滑现象，这标志着超滑从纯粹的基础兴趣研究过渡到可应用化的技术研究过程。结构超滑技术可以实现固-固表面之间几乎为零的摩擦和磨损。几乎为零的摩擦带来转化效率的提高，可以将环境中的信号最大程度的转化成电信号输出；几乎为零的磨损使得器件理论上拥有超长的使用寿命，特别是对于数量庞大、分布广泛、不易更换、不易充电的应用场景，理论上可以实现“一劳永逸”。而且基于结构超滑的无源传感器可以做到真正小型化，为提高灵敏度、降低成本奠定了基础。
发明内容
由于结构超滑技术可以实现极低摩擦和无磨损，为了解决上述技术问题，本发明提出了以下方案：无源传感器包括内置有半导体的基座，半导体具有平整的表面，半导体的上方设置有质量块，质量块的两端分别通过一对振动连接梁与电极连接，电极与所述基座连接。在质量块的下表面设置有一块或多块导电的超滑块。通过超滑副的结构设计和材料选择，使其在相对运动的过程中产生电流。
本发明的发明目的通过以下具体方案实现：
一种基于结构超滑的无源传感器，包括基座，在所述基座中内置有半导体，半导体的上方设置有质量块，质量块通过振动连接梁与电极连接，电极与所述基座连接，在所述质量块的下表面设置有至少一个导电超滑块。
进一步的，所述半导体具有原子级光滑表面。
进一步的，所述质量块的两端分别通过一对振动连接梁与电极连接。
进一步的，所述半导体的半导体材料可以选自硅、二硫化钼、砷化镓等。
进一步的，所述超滑块的材料可以是石墨、HOPG、石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母。
进一步的，所述超滑块是以石墨、HOPG、石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母为基底，其上带有导电材料的连接结构。
进一步的，所述超滑块的厚度优选为100nm～10μm。
进一步的，所述至少一个导电超滑块是多个超滑块阵列，其采用微加工的方式排布于质量块上。
进一步的，质量块的下表面和每个超滑块上表面之间还设置有超滑块随动控制薄膜，所述超滑块随动控制薄膜控制每个超滑块的法向位移。
进一步的，质量块的下表面和超滑块上表面之间还设置有弹性导电胶层，所述弹性导电胶层消除水平起伏带来的影响。
进一步的，所述质量块和振动连接梁的共振频率根据待测目标的频率调节。
本发明实现了传感器可以在无外接电源或电池的情况下工作，极低摩擦提高了能量转化效率和传感器灵敏度，无磨损极大延长器件的使用寿命，以上特性的累加，可以实现数量巨大、分布广泛、不易取放的应用场景里“一次安装，长期使用”的目标。
附图说明
图1为本发明实施例的基于结构超滑的无源传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例的基于超滑的无源传感器的侧视图。
图3为本发明的另一实施例的超滑副接触局部放大视图。
图4为本发明的第三实施例的超滑副接触局部放大视图。
附图标记：1、基座，2、电极，3、质量块，4、振动连接梁，5、平整半导体表面，31、超滑副，311、超滑块，312、超滑块随动控制薄膜，313、弹性导电胶层。
具体实施方式
以下将参考附图详细描述本发明的无源传感器。实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
如图1所示，基于结构超滑的无源传感器，包括基座1，在所述基座1中内置有半导体5，半导体5具有原子级平整表面，所述半导体5的半导体材料可以选自硅、二硫化钼、砷化镓等，半导体5的上方设置有质量块3，质量块3的两端分别通过一对振动连接梁4与电极2连接，电极2与所述基座1连接。在所述质量块3的下表面设置有一块或多块导电的超滑块311，所述超滑块的材料可以是石墨、HOPG、石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母，所述超滑块也可以以石墨、HOPG、石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母为基底，其上带有例如金属等导电材料的连接结构。
图2示出了本发明的基于结构超滑的无源传感器的侧视图，结合图1可以看出，在内置有半导体5的基座1和质量块3之间，设置有超滑副31，超滑副31由一块或多块导电的超滑块311构成，一个或多个超滑块阵列采用微加工的方式排布于质量块3上。
基于结构超滑的无源传感器在工作时，将基座1固定于所应用环境中，质量块3和振动连接梁4根据监测目标进行调节。例如监测目标为地震信号，则将质量块3和振动连接梁4的共振频率调节为地震信号的频率；如果监测目标为桥梁、隧道等临界危险振动频率，则质量块3和振动连接梁4的共振频率也做相应调整。当质量块3感受到目标频率并开始振动时，质量块3带动超滑块311在平整的半导体5的表面往复运动并自发产生电信号，信号源于超滑块311与平整的半导体5表面费米能级不同，导致界面间存在内建电场，往复滑动电场沿界面移动驱动电信号产生，通过检测产生的电信号来监测目标振动。
图3示出了本发明的另一实施例，当需要的电信号较强，并且布置超滑块阵列数量较大时，采用图3所示的结构。图3中，超滑副31又有两个子结构超滑块311和超滑块随动控制薄膜312。考虑到阵列布置范围较广时，超滑副分布面积大，平整表面5会有长程较大起伏。为了能让每一个超滑块能在表面5上做超滑运动，采用随动控制薄膜312来控制每个超滑块的法向位移，消除表面5长程起伏带来的影响。
图4示出了本发明的另一实施例，当布置超滑块阵列数量不大(整体尺寸＜100μm2＝时，可以采用图4的结构。图4中，超滑副31又有两个子结构超滑块311和弹性导电胶层313。考虑到阵列布置范围较小，超滑副分布面积小，平整表面5会长程起伏不大。因此弹性导电胶层313足可以应对该水平基底起伏，并提供优秀的力传递效果。
另外，振动连接梁4也可以采用的单侧固支双梁形式，可以进一步提高该无源传感器的灵敏度。振动连接梁4的形式根据使用环境而有其他结构。
下面举例阐述制造超滑块311的方法，其包括如下步骤：
步骤1，提供基底，所述基底可以是石墨，例如高定向热解石墨(HOPG)基底或者天然石墨，或者基底材料的内部原子有局部存在层间非公度接触的可能，或者所述超滑材料为在下表面铺有石墨或石墨烯等具有超滑性质的材料。
步骤2，制备岛状结构并使所述岛状结构达到与基底连接的状态。具体来说，可以包括如下步骤：步骤2-1，在所述基底上依次覆盖导电层和光刻胶，所述导电层可以是Au或Al，厚度可以是例如50nm～1μm，可以利用测控溅射等方法沉积上述金属层。所述光刻胶可以通过旋转涂布的方式进行覆盖。而后在步骤2-2，构图所述光刻胶，保留多个光刻胶岛。构图光刻胶的步骤即确定了后续步骤中所形成的岛状结构的布局，例如可以利用电子束刻蚀方法构图所述光刻胶，所形成的光刻胶岛平均直径可以是1μm～30μm，光刻胶岛之间的平均间隔为1μm～100μm，这样刻蚀后的岛状结构也具有相应的平均直径和平均间隔。此后在步骤2-3，刻蚀所述基底，以便去除未被光刻胶保护的保护层和部分基底，从而形成多个岛状结构。所述刻蚀可以是例如反应离子刻蚀。
当然也可以不覆盖所述保护层，而直接在基底上覆盖光刻胶并进行岛状结构的刻蚀，从而形成不带保护层的岛状结构。
步骤3，利用机械臂逐个推开所述岛状结构检测其是否具有超滑解理面，将岛状结构推开后形成的下表面具有超滑解理面的超滑结构即为所述超滑块。
本发明基于超滑副极低摩擦、无磨损的特性，通过选择合适的超滑副材料，实现了传感器可以在无外接电源或电池的情况下工作，极低摩擦提高能量转化效率和传感器灵敏度，无磨损极大延长器件使用寿命，以上特性的累加，可以实现数量巨大、分布广泛、不易取放的应用场景里“一次安装，长期使用”的目标。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于结构超滑的无源传感器，包括基座(1)，其特征在于：在所述基座(1)中内置有半导体(5)，半导体(5)的上方设置有质量块(3)，质量块(3)通过振动连接梁(4)与电极连接，电极与所述基座(1)连接，在所述质量块(3)的下表面设置有至少一个导电超滑块。
2.如权利要求1所述的无源传感器，其特征在于：所述半导体(5)具有原子级光滑表面。
3.如权利要求1或2所述的无源传感器，其特征在于：所述半导体(5)的半导体材料可以选自硅、二硫化钼、砷化镓等。
4.如权利要求1-3任一项所述的无源传感器，其特征在于：所述超滑块的材料可以是石墨、HOPG、石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母。
5.如权利要求1-3任一项所述的无源传感器，其特征在于：所述超滑块是以石墨、HOPG、石墨烯、二硫化钼、铋、钼或云母为基底，其上带有导电材料的连接结构。
6.如权利要求5或6所述的无源传感器，其特征在于：所述超滑块的厚度优选为100nm～10μm。
7.如权利要求1-6任一项所述的无源传感器，其特征在于：所述至少一个导电超滑块是多个超滑块阵列，其采用微加工的方式排布于质量块(3)上。
8.如权利要求1-7所述的无源传感器，其特征在于：质量块(3)的下表面和每个超滑块上表面之间还设置有超滑块随动控制薄膜(312)，所述超滑块随动控制薄膜(312)控制每个超滑块的法向位移。
9.如权利要求1-7所述的无源传感器，其特征在于：质量块(3)的下表面和超滑块上表面之间还设置有弹性导电胶层(313)，所述弹性导电胶层(313)消除水平起伏带来的影响。
10.如权利要求1-9任一项所述的无源传感器，其特征在于：所述质量块(3)的两端分别通过一对振动连接梁(4)与电极连接。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111649818B (zh) | 2022-03-11 |
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