CN111983257A - 一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，其特征在于，悬浮二维材料及异质层悬挂质量块作为弹簧‑质量块系统及跨导器结构使用；悬浮二维材料及异质层的所用材料主要包括石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钨、二硒化钼、二硫化钨、二硒化铂等过渡金属二硫属化物；外在所施加的加速度（例如沿Z轴方向）使悬挂质量块的悬浮二维材料及异质层形变与应变（例如沿Z轴发生），进而使压阻的悬浮二维材料及异质层的电阻发生变化，从而可检测到所施加的加速度。大的悬挂的质量块、高压阻系数的二维材料及异质层的使用与六方氮化硼作为封装层大幅度提高了器件的灵敏度、分辨率、检测极限与产率，避免了器件性能的降解。
Description
技术领域
本发明涉及加速度传感器领域领域，尤其涉及一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器。
背景技术
微电子机械加速度传感器应用广泛，包括导航系统、航空航天、汽车驾驶系统、结构检测、工业控制、物联网、基于智能手机的消费电子学、可穿戴设备、生物医疗植入等。微电子机械传感器包括加速度传感器在许多应用上的一个长期目标是持续降低器件尺寸、提高器件性能。一个典型的加速度传感器通常包含一个悬浮的质量块结构，该质量块随着施加的加速度而产生位移，从而引起加速度传感器的传感结构的电阻或电容等发生变化。当前一个典型的加速度传感器的尺寸为数个平方毫米级别，微电子机械传感器的进一步小型化将导致更小的功能部件、更小的封装，最终降低器件成本，同时也是新兴应用应用（如可穿戴电子学、生物医疗植入、纳米机器人、物联网）所必须的。
但是，当前的硅基微电子机械加速度传感器存在因减小尺寸而导致的灵敏度与分辨率大幅度下降的限制。另外，尺寸相对较大的微电子机械加速度传感器通常拥有较低的谐振频率，这限制了加速度传感器的带宽及输入信号的线性频率范围。
石墨烯作为一个典型的二维材料，具有原子层级别的厚度，具有高的载流子迁移率、高的机械强度，具有压阻特性，因此，石墨烯在超小的微纳电子机械器件如加速度传感器中是一个非常有潜力的功能薄膜材料。
现有技术中，Hurst等人 （Hurst, A. M., Lee, S., Cha, W. & Hone, J. Agraphene accelerometer. In 2015 28th IEEE Int. Conf. on Micro ElectroMechanical Systems (MEMS) 865-868 (IEEE, 2015); Twodimensional material basedaccelerometer, US 20150362521 A1）提出了基于石墨烯基二维材料的加速度传感器概念，该加速度传感器包括硅衬底、门电极，石墨烯通过机械剥离的方法转移到衬底上，尺寸较小的质量块（直径：10 微米，厚度为1.5 微米，由金或光刻胶SU-8组成）淀积在石墨烯的上面，悬浮的石墨烯通过刻蚀石墨烯下面的牺牲层而实现，所制备的石墨烯加速度传感器的传感原理是基于依赖电荷充放电的电导率变化的跨导机制，门电极是可充放电的，质量块位移的变化导致石墨烯薄膜与门电极的电容的变化 （即充放电的门电极与悬浮石墨烯薄膜之间电学耦合的变化），导致悬浮石墨烯薄膜载流子浓度的变化，最终导致悬浮石墨烯薄膜电阻的变化。
但是该石墨烯加速度传感器由于质量块较小等因素目前仅能检测出1000 g 到3000 g 的高冲击加速度，且输出信号（灵敏度）仍然非常弱。
Fan 等人 （Xuge Fan*, Fredrik Forsberg, Anderson D. Smith, StephanSchröder, Stefan Wagner, Henrik Rödjegård, Andreas C. Fischer, Mikael Östling, Max C. Lemme*, Frank Niklaus*, Graphene ribbons with suspended massesas transducers in ultra-small nanoelectromechanical accelerometers, Nature Electron,2, 394–404 (2019). Xuge Fan*, Fredrik Forsberg, Anderson D. Smith,Stephan Schröder, Stefan Wagner, Mikael Östling, Max C. Lemme*, and FrankNiklaus*, NEMS accelerometers based on suspended graphene membranes withattached masses, Nano Letters,19, 10, 6788-6799 (2019)）报道了基于双层堆栈的化学气相沉积石墨条带及薄膜悬挂二氧化硅/硅质量块的压阻式加速度传感器，传感功能结构尺寸比传统的硅基加速度传感器至少小两个数量级。
但基于双层堆栈的化学气相沉积石墨烯的加速度传感器存在灵敏度不够高、分辨率相对较低、检测极限不够小、器件稳定性差、器件抗周边环境（如湿度、气体）及噪音信号能力差、产率有待进一步改善等问题。
理论与实验表明二维材料如二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨、二硒化钼等过渡金属二硫属化物的压阻应变系数比石墨烯要高1到3个数量级，这表明基于这些二维材料的压阻微纳机电传感器比基于石墨烯的压阻微纳机电传感器的灵敏度要高1到3个数量级。
但是，这些二维材料的杨氏模量(机械强度）比石墨烯要低半个到1个数量级。六方氮化硼是二维绝缘体，拥有跟石墨烯相接近的杨氏模量与薄膜厚度，因此六方氮化硼非常适合作为石墨烯及其他二维材料的衬底与封装材料，以改善石墨烯及其他悬浮二维材料的机械稳定性、避免石墨烯及其他二维材料传感器因暴露于空气环境而导致性能降解。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术不足之处，提供一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器。
一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，悬浮二维材料及异质层悬挂质量块作为弹簧-质量块系统及跨导器结构使用。电极与悬浮二维材料及异质层相连接，当外在所施加的加速度（例如沿Z轴方向）使悬挂质量块的悬浮二维材料及异质层产生形变（例如沿Z轴发生），悬浮二维材料与异质层薄膜中产生应变，根据二维材料压阻效应，悬浮二维材料及异质层的的电阻发生变化，从而可相应的检测到所施加的加速度（例如沿Z轴方向）。
进一步的，所述悬浮二维材料包括石墨烯 （graphene）、六方氮化硼 (h-BN)、二硫化钼 (MoS2)、二硒化钨 (WSe2)、二硒化钼 MoSe2)、二硫化钨 (WS2)、二硒化铂（PtSe2）、二碲化钼 （MoTe2)、二碲化钨（WTe2）、二硒化钒（VSe2）、二硫化铬（CrS2）、二硒化铬（CrSe2）、其他过渡金属二硫属化物（TMDC）、黑磷（P）。
进一步的，所述悬浮二维材料异质层包括六方氮化硼/石墨烯、六方氮化硼/二硫化钼、六方氮化硼/二硒化钨、六方氮化硼/二硒化钼 、六方氮化硼/二硫化钨、六方氮化硼/二硒化铂、六方氮化硼/二碲化钼、六方氮化硼/二碲化钨、六方氮化硼/二硒化钒、六方氮化硼/二硫化铬、六方氮化硼/二硒化铬、石墨烯/二硫化钼、石墨烯/二硒化钨、石墨烯/二硒化钼、石墨烯/二硫化钨、石墨烯/二硒化铂、石墨烯/二碲化钼、石墨烯/二碲化钨、石墨烯/二硒化钒、石墨烯/二硫化铬、石墨烯/二硒化铬、六方氮化硼/石墨烯/二硫化钼、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钼、六方氮化硼/石墨烯/二硫化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化铂、六方氮化硼/石墨烯/二碲化钼、六方氮化硼/石墨烯/二碲化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钒、六方氮化硼/石墨烯/二硫化铬、六方氮化硼/石墨烯/二硒化铬。
进一步的，所述悬浮二维材料包括单个原子层、两个原子层、三个原子层、四个原子层、五个原子层、六个原子层、七个原子层、八个原子层、九个原子层、十个原子层以及更厚的二维材料薄膜（0-1000 纳米）；悬浮二维材料异质层包括两个原子层、三个原子层、四个原子层、五个原子层、六个原子层、七个原子层、八个原子层、九个原子层、十个原子层以及200 纳米内的二维材料薄膜。
进一步的，所述悬浮二维材料及异质层也包括其与其他类型纳米薄层的复合，包括金属（如金、银、铜、铝）、金属氧化物（如三氧化二铝）、有机聚合物（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）、聚（双酚A）碳酸酯（PC））及氮化硅与二维材料及异质层的复合,例如三氧化二铝/石墨烯、聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯、聚二甲基硅氧烷/石墨烯、聚（双酚A）碳酸酯/石墨烯、氮化硅/石墨烯、三氧化二铝/石墨烯/二硫化钼、聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/二硫化钼等。
进一步的，所述二维材料及异质层的来源包括化学气相沉积合成、机械剥离、液相剥离、外延生长、还原氧化。大于单个原子层厚度的所述二维材料及异质层的来源包括直接的生长合成(如化学气相沉积、外延生长)、层层堆栈转移。
进一步的，所述悬浮的二维材料及异质层的形状包括四周全覆盖住沟槽与质量块的薄膜、部分覆盖住沟槽与质量块的条带（如两个二维材料及异质层条带、四个二维材料及异质层条带、六个二维材料及异质层条带）、部分覆盖住沟槽与质量块的悬臂梁。对于部分覆盖住沟槽与质量块的条带、单端部分覆盖住沟槽与质量块的悬臂梁，二维材料及异质层条带与悬臂梁可以窄到1微米宽以下，也可以大到与所悬挂质量的边长相等。
所述悬浮的二维材料及异质层的图案化包括光学光刻、电子束光刻，悬浮的二维材料及异质层的刻蚀包括氧气等离子刻蚀、六氟化硫/氩气等离子体刻蚀、四氟化碳等离子体刻蚀等方法。
所述悬浮的二维材料及异质层的制备包括以聚甲基丙烯酸甲酯为支撑辅助层的湿法转移、以聚（双酚A）碳酸酯为支撑辅助层的湿法转移、以聚二甲基硅氧烷为支撑辅助层的干法转移、以热释放胶带为支撑辅助层的干法转移、基于电化学剥离技术的湿法转移、基于水滴剥离技术的转移、基于氢氧化钾、氢氧化钠溶液剥离技术的湿法转移、基于苯并环丁烯的器件键合转移方法。
进一步的，所述悬挂在二维材料及异质层的质量块的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、有机聚合物(如聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚（双酚A）碳酸酯、苯并环丁烯）、光刻胶（如SU-8)、金属（如金、银、铜、铝）；所悬挂的质量块可以通过沉积或牺牲层刻蚀技术来实现；所悬挂的质量块的形状包括正方体、长方体、圆柱体、六方体；所悬挂的质量块的边长尺寸包括从纳米级别到毫米级别；所悬挂质量块的高度尺寸包括从纳米级别到毫米级别，例如，对于形状为长方体的质量块，其与二维材料及异质层接触的面的尺寸包括从100 纳米×100 纳米到1毫米×1毫米，质量块的高度包括从100 纳米到1毫米；所悬挂质量块的位置包括在悬浮二维材料及异质层的中间、末端及任何位置；所悬挂质量块的数量包括1个或更多。
进一步的，所述质量块既可以仅仅悬挂在悬浮的二维材料及异质层下面，也可以在悬挂在悬浮的二维材料及异质层下面的同时质量块底部有支撑层作为支撑，如薄的或厚的二氧化硅层。
进一步的，所述电极包括源电极与漏电极，也包括门电极（如顶门电极与背门电极）。电极材料包括金、银、铜、铝、钛及他们的复合物。
所述电极的制备既可先于二维材料及异质层的转移，也可晚于二维材料及异质层的转移。
进一步的，所述悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器的类型包括压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器、压电式加速度传感器、谐振式加速度传感器、光学加速度传感器;其数量可以包括1个及数个或更多，如数个加速度传感器串联或并联;悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器可以与传统的CMOS集成电路集成，也可应用于谐振器与陀螺仪。
进一步的，所述基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器可以使用氧化的绝缘衬底上的硅（SOI）作为衬底，金属电极沉积在绝缘衬底上的硅的器件层的氧化层中，通过刻蚀氧化的在绝缘衬底上的硅的器件层形成沟槽同时定义二氧化硅/硅质量块，通过选择性的刻蚀氧化的在绝缘衬底上的硅的体硅层用于暴露支撑二氧化硅/硅质量块的绝缘衬底上的硅的绝缘层，通过转移的方法使二维材料及异质层悬浮在氧化的绝缘衬底上的硅的器件层的沟槽上面，二氧化硅/硅质量块悬挂在悬浮的二维材料及异质层下面。通过牺牲层刻蚀技术刻蚀掉暴露的绝缘衬底上的硅的绝缘层，从而实现二氧化硅/硅质量块悬挂在悬浮的二维材料及异质层下面。
本发明的有益效果是：
1.悬浮的二维材料及异质层所悬挂的质量块的加工工艺与大规模化的半导体与微纳加工工艺相兼容，且所悬挂的质量块的尺寸与重量大幅度提升，进而可以使悬浮的二维材料与异质层薄膜在施加的特定加速度负载下有足够的形变与位移，最终提高了加速度传感器（压阻式、电容式、压电式、电荷充放电依赖的电导式等）的灵敏度、分辨率与检测极限。
2.所使用的悬浮二维材料不仅仅包括石墨烯，而且还包括具有比石墨烯压阻应变系数高数个数量级的其他二维材料，如二硫化钼、二硒化钨、二硒化钼、二硫化钨、二硒化铂，这将显著提高压阻式的加速度传感器的灵敏度、分辨率与检测极限。
3.引入二维材料异质层作为加速度跨导器功能传感层，如石墨烯/二硫化钼、石墨烯/二硒化钨、石墨烯/二硒化钼、石墨烯/二硫化钨、石墨烯/二硒化铂，通过利用不同二维材料间的不同的优势特性从而克服单一二维材料的缺陷，例如，石墨烯具有很高的机械强度但压阻应变系数相对较低，而硫化钼、二硒化钨、二硒化钼、二硫化钨、二硒化铂等具有很高的压阻应变系数但机械强度相对较低，因此二维材料异质层如石墨烯/二硫化钼、石墨烯/二硒化钨、石墨烯/二硒化钼、石墨烯/二硫化钨、石墨烯/二硒化铂将同时具备较高的机械强度与较高的压阻应变系数，最终显著提高了压阻式的加速度的灵敏度、分辨率、检测极限及产率。
4.引入六方氮化硼作为二维材料及异质层跨导器的封装层，不仅可以改善二维材料的电子运输特性、机械强度与机械稳定性，还可以避免二维材料因暴露于空气中而导致的加速度传感器性能的降解。例如，可避免湿度、气体、光等外在环境因素对加速度传感器的干扰。
附图说明
图1为所述的基于部分覆盖悬浮二维材料及异质层条带悬挂二氧化硅/硅质量块的加速度传感器三维结构示意图 (a)、基于全覆盖的悬浮二维材料及异质层薄膜悬挂二氧化硅/硅质量块的加速度传感器三维结构示意图(b)、悬浮二维材料及异质层悬挂二氧化硅/硅质量块的加速度传感器横截面结构示意图(c)。
图2为所述的加工的基于部分覆盖悬浮石墨烯条带悬挂二氧化硅/硅质量块的加速度传感器(a-c)与基于全覆盖的悬浮石墨烯薄膜悬挂二氧化硅/硅质量块的加速度传感器的扫描电镜图 (d)。
图3为所述悬浮二维材料及异质层悬挂二氧化硅/硅质量块的加速度传感器的一个可行的加工工艺步骤。
图4为所述的加速度传感器中悬浮二维材料及异质层条带及薄膜在不同情形下悬挂二氧化硅/硅质量块的结构示意图。
图5为所述的加速度传感器中悬浮二维材料及异质层悬臂梁在不同情形下悬挂二氧化硅/硅质量块的结构示意图。
图6为所述加速度传感器中不同类型与不同形状的悬浮二维材料及异质层(条带、薄膜、悬臂梁)悬挂二氧化硅/硅质量块的平面结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
参照图1、图2、图3、图4、图5与图6，本发明所述的一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，悬浮二维材料及异质层悬挂质量块作为弹簧-质量块系统及跨导器结构使用。电极与悬浮二维材料及异质层相连接，当外在所施加的加速度（例如沿Z轴方向）使悬挂质量块的悬浮二维材料及异质层产生形变（例如沿Z轴发生），悬浮二维材料与异质层薄膜中产生应变，根据二维材料压阻效应，悬浮二维材料及异质层的的电阻发生变化，从而可相应的检测到所施加的加速度（例如沿Z轴方向）。
进一步的，所述悬浮二维材料包括石墨烯 （graphene）、六方氮化硼 (h-BN)、二硫化钼 (MoS2)、二硒化钨 (WSe2)、二硒化钼 MoSe2)、二硫化钨 (WS2)、二硒化铂（PtSe2）、二碲化钼 （MoTe2)、二碲化钨（WTe2）、二硒化钒（VSe2）、二硫化铬（CrS2）、二硒化铬（CrSe2）、其他过渡金属二硫属化物（TMDC）、黑磷（P）。
进一步的，所述悬浮二维材料异质层包括六方氮化硼/石墨烯、六方氮化硼/二硫化钼、六方氮化硼/二硒化钨、六方氮化硼/二硒化钼 、六方氮化硼/二硫化钨、六方氮化硼/二硒化铂、六方氮化硼/二碲化钼、六方氮化硼/二碲化钨、六方氮化硼/二硒化钒、六方氮化硼/二硫化铬、六方氮化硼/二硒化铬、石墨烯/二硫化钼、石墨烯/二硒化钨、石墨烯/二硒化钼、石墨烯/二硫化钨、石墨烯/二硒化铂、石墨烯/二碲化钼、石墨烯/二碲化钨、石墨烯/二硒化钒、石墨烯/二硫化铬、石墨烯/二硒化铬、六方氮化硼/石墨烯/二硫化钼、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钼、六方氮化硼/石墨烯/二硫化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化铂、六方氮化硼/石墨烯/二碲化钼、六方氮化硼/石墨烯/二碲化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钒、六方氮化硼/石墨烯/二硫化铬、六方氮化硼/石墨烯/二硒化铬。
进一步的，所述悬浮二维材料包括单个原子层、两个原子层、三个原子层、四个原子层、五个原子层、六个原子层、七个原子层、八个原子层、九个原子层、十个原子层以及更厚的二维材料薄膜（0-1000 纳米）；悬浮二维材料异质层包括两个原子层、三个原子层、四个原子层、五个原子层、六个原子层、七个原子层、八个原子层、九个原子层、十个原子层以及200 纳米内的二维材料薄膜。
进一步的，所述悬浮二维材料及异质层也包括其与其他类型纳米薄层的复合，包括金属（如金、银、铜、铝）、金属氧化物（如三氧化二铝）、有机聚合物（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）、聚（双酚A）碳酸酯（PC））及氮化硅与二维材料及异质层的复合,例如三氧化二铝/石墨烯、聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯、聚二甲基硅氧烷/石墨烯、聚（双酚A）碳酸酯/石墨烯、氮化硅/石墨烯、三氧化二铝/石墨烯/二硫化钼、聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/二硫化钼等。
进一步的，所述二维材料及异质层的来源包括化学气相沉积合成、机械剥离、液相剥离、外延生长、还原氧化。大于单个原子层厚度的所述二维材料及异质层的来源包括直接的生长合成(如化学气相沉积、外延生长)、层层堆栈转移。
进一步的，所述悬浮的二维材料及异质层的形状包括四周全覆盖住沟槽与质量块的薄膜、部分覆盖住沟槽与质量块的条带（如两个二维材料及异质层条带、四个二维材料及异质层条带、六个二维材料及异质层条带）、部分覆盖住沟槽与质量块的悬臂梁。对于部分覆盖住沟槽与质量块的条带、单端部分覆盖住沟槽与质量块的悬臂梁，二维材料及异质层条带与悬臂梁可以窄到1微米宽以下，也可以大到与所悬挂质量的边长相等。
所述悬浮的二维材料及异质层的图案化包括光学光刻、电子束光刻，悬浮的二维材料及异质层的刻蚀包括氧气等离子刻蚀、六氟化硫/氩气等离子体刻蚀、四氟化碳等离子体刻蚀等方法。
所述悬浮的二维材料及异质层的制备包括以聚甲基丙烯酸甲酯为支撑辅助层的湿法转移、以聚（双酚A）碳酸酯为支撑辅助层的湿法转移、以聚二甲基硅氧烷为支撑辅助层的干法转移、以热释放胶带为支撑辅助层的干法转移、基于电化学剥离技术的湿法转移、基于水滴剥离技术的转移、基于氢氧化钾、氢氧化钠溶液剥离技术的湿法转移、基于苯并环丁烯的器件键合转移方法。
进一步的，所述悬挂在二维材料及异质层的质量块的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、有机聚合物(如聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚（双酚A）碳酸酯、苯并环丁烯）、光刻胶（如SU-8)、金属（如金、银、铜、铝）；所悬挂的质量块可以通过沉积或牺牲层刻蚀技术来实现；所悬挂的质量块的形状包括正方体、长方体、圆柱体、六方体；所悬挂的质量块的边长尺寸包括从纳米级别到毫米级别；所悬挂质量块的高度尺寸包括从纳米级别到毫米级别，例如，对于形状为长方体的质量块，其与二维材料及异质层接触的面的尺寸包括从100 纳米×100 纳米到1毫米×1毫米，质量块的高度包括从100 纳米到1毫米；所悬挂质量块的位置包括在悬浮二维材料及异质层的中间、末端及任何位置；所悬挂质量块的数量包括1个或更多。
进一步的，所述电极包括源电极与漏电极，也包括门电极（如顶门电极与背门电极）。电极材料包括金、银、铜、铝、钛及他们的复合物。
所述电极的制备既可先于二维材料及异质层的转移，也可晚于二维材料及异质层的转移。
进一步的，所述悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器的类型包括压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器、压电式加速度传感器、谐振式加速度传感器、光学加速度传感器;其数量可以包括1个及数个或更多，如数个加速度传感器串联或并联;悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器可以与传统的CMOS集成电路集成，也可应用于谐振器与陀螺仪。
进一步的，所述基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器可以使用氧化的绝缘衬底上的硅（SOI）作为衬底，金属电极沉积在绝缘衬底上的硅的器件层的氧化层中，通过刻蚀氧化的在绝缘衬底上的硅的器件层形成沟槽同时定义二氧化硅/硅质量块，通过选择性的刻蚀氧化的在绝缘衬底上的硅的体硅层用于暴露支撑二氧化硅/硅质量块的绝缘衬底上的硅的绝缘层，通过转移的方法使二维材料及异质层悬浮在氧化的绝缘衬底上的硅的器件层的沟槽上面，二氧化硅/硅质量块悬挂在悬浮的二维材料及异质层下面。通过牺牲层刻蚀技术刻蚀掉暴露的绝缘衬底上的硅的绝缘层，从而实现二氧化硅/硅质量块悬挂在悬浮的二维材料及异质层下面。
具体可实施步骤示例：
1.绝缘衬底上的硅的刻蚀：悬浮二维材料及异质层悬挂质量块加速度传感器以绝缘衬底上的硅作为衬底，绝缘衬底上的硅的器件层厚度为100纳米到100微米，绝缘层的厚度为100纳米到2微米，绝缘衬底上的硅的体硅层的厚度为100 微米到1000 微米。绝缘衬底上的硅（SOI）经热氧化得到二氧化硅氧化层的厚度为0.2 微米到2微米。光刻胶旋涂在器件层热氧化的二氧化硅表面上，经光刻、显影得出图案化的光刻胶，从而定义出金属电极的位置，二氧化硅层经反应离子束刻蚀刻蚀出大约300纳米深的沟槽，通过热蒸镀或磁控溅射的方法分别将50纳米厚的钛、270纳米厚的金淀积在300纳米深的二氧化硅层的沟槽中。经过剥离技术去除光刻胶从而得到钛/金电极，钛/金电极高出二氧化硅表面大约20纳米。一个新的光刻胶被旋涂在器件层表面，经光刻、显影图案化质量块及环绕四周的沟槽，反应离子束被使用刻蚀氧化层二氧化硅，深反应离子束被使用刻蚀器件层硅，直到刻蚀到绝缘衬底上的硅的绝缘层，氧气等离子体被用于去除剩余的光刻胶。接下来，一个新的光刻胶被旋涂在绝缘衬底上的硅的体硅氧化层表面，经光刻、显影以图案化位于质量块下面的体硅层 （例如图案化的面积至少比质量块所在面的面积大，如图案化的面积是质量块所在面的面积的1.5-2倍），经反应离子束刻蚀、深反应离子束刻蚀，体硅层的氧化层与体硅层分别被刻蚀掉，位于质量块下面的绝缘层二氧化硅暴露于空气中。氧气等离子体被用于去除剩余的光刻胶。根据实际应用需求，绝缘衬底上的硅可以被切片成不同尺寸大小的芯片，也可以保持为一个完整的晶片。
2.二维材料及异质层的转移与图案化处理：二维材料及异质层通过基于聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）作为支撑转移层的湿法转移方法转移到预加工的绝缘衬底上的硅的器件层表面。具体来说，选用高质量的商用的化学气相沉积方法合成的二维材料如石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钨、二硒化钼、二硫化钨、二硒化铂等。以转移六方氮化硼/石墨烯为例，说明二维材料及异质层与预加工的绝缘衬底上的硅的集成。聚甲基丙烯酸甲酯 被旋涂在六方氮化硼/铜表面上（如 500 转/分钟，5秒；2000 转/分钟，30秒），然后放置在热板上烘烤5-10分钟，热板温度为60度到100度。得到聚甲基丙烯酸甲酯的厚度大约200纳米。铜生长基底背面的六方氮化硼残余物可以用低功率（如50瓦）氧气等离子体刻蚀去除，聚甲基丙烯酸甲酯/六方氮化硼/铜被放置在三氯化铁溶液表面上（如2小时）以溶解掉铜生长基底，所得到的聚甲基丙烯酸甲酯/六方氮化硼经一个干净的硅片作为转移支撑层分别放置在稀释的盐酸与去离子水表面上以去除残余的铁离子与氯离子。悬浮在去离子水表面上的聚甲基丙烯酸甲酯/六方氮化硼经一个干净的硅片作为转移支撑层被转移到商用的化学气相沉积的石墨烯/铜表面上，然后放置在热板上（如45度，10分钟）以增加六方氮化硼与石墨烯的分子间作用力。氧气等离子被用于去除铜背面的残余的石墨烯。然后用先前相同的方法，去除铜生长基底以获得聚甲基丙烯酸甲酯/六方氮化硼/石墨烯堆栈，然后借助干净的硅片作为转移支撑层将聚甲基丙烯酸甲酯/六方氮化硼/石墨烯转移到预加工的绝缘衬底上的硅的器件层表面，之后放在热板上在45度条件下烘烤10分钟以增加石墨烯与二氧化硅表面的分子间作用力。之后，将覆盖有聚甲基丙烯酸甲酯/六方氮化硼/石墨烯的绝缘衬底上的硅放置在丙酮溶液足够长时间，如24小时，以去除聚甲基丙烯酸甲酯。之后将覆盖有六方氮化硼/石墨烯的绝缘衬底上的硅放置在乙醇溶液去除残余的丙酮，然后放置在空气中自然干燥。接下来对转移的六方氮化硼/石墨烯进行图感化处理以得到想要形状与尺寸的二维材料及异质层，例如通过在六方氮化硼/石墨烯表面旋涂上一层光刻胶，借助光学光刻或电子束光刻与显影的方法，图案化六方氮化硼/石墨烯，然后用六氟化硫/氩气混合等离子体在低功率下刻蚀六方氮化硼，用氧气等离子体在低功率下刻蚀石墨烯，最后将刻蚀的二维材料异质层器件放置在丙酮中以去除残余的光刻胶，放置在乙醇中以去除残余的丙酮，最后放在空气中自然干燥。
除了上述聚甲基丙烯酸甲酯为支撑辅助层的湿法转移外，悬浮的二维材料及异质层的制备也可以通过以下方法实现:以聚（双酚A）碳酸酯为支撑辅助层的湿法转移、以聚二甲基硅氧烷为支撑辅助层的干法转移、以热释放胶带为支撑辅助层的干法转移、基于电化学剥离技术的湿法转移、基于水滴剥离技术的转移、基于氢氧化钾、氢氧化钠溶液剥离技术的湿法转移、基于苯并环丁烯的器件键合转移方法。
3.二氧化硅/硅质量块的释放：
为了全部或部分释放悬挂在二维材料及异质层（如六方氮化硼/石墨烯）下面的二氧化硅/硅质量块，绝缘衬底上的硅的绝缘层（二氧化硅）先后通过反应离子刻蚀与氢氟酸气相刻蚀而被全部或部分去除掉。反应离子束刻蚀与氢氟酸气相刻蚀相结合的目的是减小在刻蚀二氧化硅的过程中可能对二维材料及异质层造成的破坏。例如，为了全部释放悬挂在二维材料及异质层下面的二氧化硅/硅质量块，反应离子束刻蚀被使用先刻蚀掉大部分的绝缘层（如90%厚的绝缘层），剩下的大约10%厚的绝缘层用氢氟酸气相刻蚀刻蚀掉。所选用的气相氢氟酸的浓度为15%到30%，刻蚀为温度为38度到42度。在氢氟酸气相刻蚀剩余的绝缘层过程中，二维材料及异质层不能暴露于气相氢氟酸中。
4.引线键合封装或与CMOS电路集成：
当悬挂在二维材料与异质层下面的二氧化硅/硅质量块释放后，可以进行封装与金属线键合与以实现加速度传感器电极的电连接；也可以与CMOS集成电路进行集成、封装，以实现二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器与CMOS信号读取电路的集成，进一步减小器件的整体尺寸及降低器件的噪音信号。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，其特征在于：悬浮二维材料及异质层悬挂质量块作为弹簧-质量块系统及跨导器结构使用。
2.根据权利要求1所述的一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，其特征在于：所述悬浮二维材料包括石墨烯（graphene）、六方氮化硼 (h-BN)、二硫化钼(MoS2)、二硒化钨 (WSe2)、二硒化钼 MoSe2)、二硫化钨 (WS2)、二硒化铂（PtSe2）、二碲化钼（MoTe2)、二碲化钨（WTe2）、二硒化钒（VSe2）、二硫化铬（CrS2）、二硒化铬（CrSe2）、其他过渡金属二硫属化物（TMDC）、黑磷（P）；所述悬浮二维材料异质层包括六方氮化硼/石墨烯、六方氮化硼/二硫化钼、六方氮化硼/二硒化钨、六方氮化硼/二硒化钼、六方氮化硼/二硫化钨、六方氮化硼/二硒化铂、六方氮化硼/二碲化钼、六方氮化硼/二碲化钨、六方氮化硼/二硒化钒、六方氮化硼/二硫化铬、六方氮化硼/二硒化铬、石墨烯/二硫化钼、石墨烯/二硒化钨、石墨烯/二硒化钼、石墨烯/二硫化钨、石墨烯/二硒化铂、石墨烯/二碲化钼、石墨烯/二碲化钨、石墨烯/二硒化钒、石墨烯/二硫化铬、石墨烯/二硒化铬、六方氮化硼/石墨烯/二硫化钼、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钼、六方氮化硼/石墨烯/二硫化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化铂、六方氮化硼/石墨烯/二碲化钼、六方氮化硼/石墨烯/二碲化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钒、六方氮化硼/石墨烯/二硫化铬、六方氮化硼/石墨烯/二硒化铬；所述悬浮二维材料异质层也包括其与其他类型纳米薄层的复合，包括金属（如金、银、铜、铝）、金属氧化物（如三氧化二铝）、有机聚合物（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚（双酚A）碳酸酯（PC））及氮化硅与二维材料及异质层的复合,例如三氧化二铝/石墨烯、聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯、聚二甲基硅氧烷/石墨烯、聚（双酚A）碳酸酯/石墨烯、氮化硅/石墨烯、三氧化二铝/石墨烯/二硫化钼、聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/二硫化钼等。
3.根据权利要求1所述的一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，其特征在于：所述悬浮二维材料包括单个原子层、两个原子层、三个原子层、四个原子层、五个原子层、六个原子层、七个原子层、八个原子层、九个原子层、十个原子层以及更厚的二维材料薄膜（0-1000 纳米）；悬浮二维材料异质层包括两个原子层、三个原子层、四个原子层、五个原子层、六个原子层、七个原子层、八个原子层、九个原子层、十个原子层以及200 纳米内的二维材料薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，其特征在于：所述二维材料及异质层的来源包括化学气相沉积合成、机械剥离、液相剥离、外延生长、还原氧化；大于单个原子层厚度的所述二维材料及异质层的来源包括直接的生长合成(如化学气相沉积、外延生长)、层层堆栈转移。
5.根据权利要求1所述的一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，其特征在于：所述悬浮的二维材料及异质层的形状包括四周全覆盖住沟槽与质量块的薄膜、部分覆盖住沟槽与质量块的条带、部分覆盖住沟槽与质量块的悬臂梁；所述悬浮的二维材料及异质层的宽度既可以大于质量块与沟槽的总宽度，也可以等于质量块的宽度，也可以窄到1微米以下。
6.根据权利要求1所述的一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，其特征在于：所述悬挂在二维材料及异质层的质量块的材料包括硅、二氧化硅、氮化硅、多晶硅、有机聚合物(如聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚（双酚A）碳酸酯、苯并环丁烯）、光刻胶（如SU-8)、金属（如金、银、铜、铝）；所悬挂的质量块的形状包括正方体、长方体、圆柱体、六方体；所悬挂的质量块的边长尺寸包括从纳米级别到毫米级别；所悬挂质量块的高度尺寸包括从纳米级别到毫米级别，例如，对于形状为长方体的质量块，其与二维材料及异质层接触的面的尺寸包括从100 纳米×100 纳米到1毫米×1毫米，质量块的高度包括从100 纳米到1毫米；所悬挂质量块的位置包括在悬浮二维材料及异质层的中间、末端及任何位置；所悬挂质量块的数量包括1个或更多。
7.根据权利要求1所述的一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，其特征在于：所述质量块既可以仅仅悬挂在悬浮的二维材料及异质层下面，也可以在悬挂在悬浮的二维材料及异质层下面的同时质量块底部有支撑层作为支撑。
8.根据权利要求1所述的一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，其特征在于：所述电极包括源电极与漏电极，也包括门电极（如顶门电极与背门电极）；电极材料包括金、银、铜、铝、钛及他们的复合物。
9.根据权利要求1所述的一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，其特征在于：所述悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器的类型包括压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器、压电式加速度传感器、谐振式加速度传感器、光学加速度传感器；其数量可以包括1个及数个或更多，如数个加速度传感器串联或并联;悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器可以与传统的CMOS集成电路集成;也可应用于谐振器与陀螺仪。
10.根据权利要求1所述的一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，其特征在于：所述基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器可以使用氧化的绝缘衬底上的硅（SOI）作为衬底，金属电极沉积在绝缘衬底上的硅的器件层的氧化层中，绝缘衬底上的硅的器件层形成沟槽同时定义二氧化硅/硅质量块，绝缘衬底上的硅的体硅层用于暴露支撑二氧化硅/硅质量块的绝缘衬底上的硅的绝缘层，二维材料及异质层悬浮在氧化的绝缘衬底上的硅的器件层的沟槽上面，二氧化硅/硅质量块悬挂在悬浮的二维材料及异质层下面。
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