CN113701937B - 气压传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了气压传感器及制备方法,其中气压传感器包括高阻衬底;形成于高阻衬底上的源极电极、漏极电极和栅极电极,源极电极以及漏极电极限定于高阻衬底同一侧,栅极电极限定于高阻衬底上与源极电极同一侧或栅极电极限定于高阻衬底上相对于源极电极的另一侧;设置到源极电极和漏极电极的石墨烯薄层结构;高阻衬底与石墨烯薄层结构之间形成有腔室。本发明的气压传感器充分利用石墨烯谐振器的优良特性,实现气压的高精度测量。

Description

气压传感器及制备方法
技术领域
本发明是关于气压敏感设备技术,特别是关于一种气压传感器及制备方法。
背景技术
气压传感器的测量原理主要是由敏感元件和转换元件组成,敏感元件通过感知外界气压的变化,通过转换元件转换为电信号读取。某些气压传感器的主要部件为变容式硅膜盒。当该变容硅膜盒外界大气压力发生变化时,单晶硅膜盒随着发生弹性变形,从而引起硅膜盒平行板电容器电容量的变化。这些膜盒体积大、灵敏度低。
石墨烯是一种从石墨材料表面剥离出碳原子单层的二维材料。石墨烯具有优异的电学性能和力学性能。电子传输性能是石墨烯最重要的性能之一,其内部载流子浓度高达1013cm-2;具有非常高的电子迁移率,而且几乎不受温度影响。石墨烯还是已知强度最高的材料之一,具有很好的韧性,可以弯曲,理论杨氏模量达1.0TPa。这些特性使得石墨烯成为微纳机电系统的优良材料,基于石墨烯的微纳机电系统也为传感器领域提供了新的思路。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气压传感器、制备方法及其应用,其能够充分利用石墨烯谐振器的优良特性,实现气压的高精度测量。
为实现上述目的,本发明的实施例提供了气压传感器,包括敏感结构,敏感结构包括高阻衬底;形成于高阻衬底上的源极电极、漏极电极和栅极电极,源极电极以及漏极电极限定于高阻衬底同一侧,栅极电极限定于高阻衬底上与源极电极同一侧或栅极电极限定于高阻衬底上相对于源极电极的另一侧;设置到源极电极和漏极电极的石墨烯薄层结构;高阻衬底与石墨烯薄层结构之间形成有腔室(该腔室即为谐振腔)。特别地,高阻衬底、源极电极、漏极电极限定区域与石墨烯薄层结构之间形成有腔室。
在本发明的一个或多个实施方式中,气压传感器,包括基体;形成于基体上的高阻衬底;形成于高阻衬底上的源极电极、漏极电极和栅极电极,栅极电极形成于源极电极以及漏极电极限定的范围内;设置到源极电极和漏极电极的石墨烯薄层结构,石墨烯薄层结构远离栅极电极;高阻衬底、源极电极、漏极电极以及栅极电极限定区域与石墨烯薄层结构之间形成有腔室。
在本发明的一个或多个实施方式中,高阻衬底表面形成有凹槽以及位于凹槽周围的平台。
在本发明的一个或多个实施方式中,高阻衬底的平台上形成有源极电极和漏极电极,凹槽内形成有栅极。
在本发明的一个或多个实施方式中,源极电极和/或漏极电极和/或栅极电极为至少一层(这里的层包括而不限于膜、网、框等结构,整体可以为折弯平直或者弧形或者波纹性等形态)导电结构。
在本发明的一个或多个实施方式中,源极电极和/或漏极电极和/或栅极电极包括两层金属层,其中底层用于将上层结合到高阻衬底。
在本发明的一个或多个实施方式中,底层为包含铬、钛中至少一种的金属层。
在本发明的一个或多个实施方式中,上层为包含金的金属层。
在本发明的一个或多个实施方式中,高阻衬底为氧化硅衬底。
在本发明的一个或多个实施方式中,栅极电极限定于高阻衬底上相对于源极电极的另一侧时,其为半导体结构。
在本发明的一个或多个实施方式中,如前述气压传感器的制备方法,包括对形成于基体上的高阻衬底依据设计进行光刻;在光刻后的高阻衬底上形成源极电极、漏极电极、栅极电极;向源极电极、漏极电极转移形成悬浮形态的石墨烯薄层结构。
在本发明的一个或多个实施方式中,如前述的气压传感器,在气传导压力敏感设备中的应用。气传导压力敏感设备包括而不限于航空领域中的小型无人机的气压计、电子领域中的微型麦克风和仿生飞行器等。
与现有技术相比,根据本发明实施方式的气压传感器能够应用于气压传感器,通过石墨烯底部下的栅极施加电压,使石墨烯产生振动,石墨烯薄膜的周期性振动会使石墨烯与栅极之间的形成的平行板电容器电容发生周期性变化,通过分析石墨烯两端的源极和漏极之间的电学信号能够读取此时石墨烯的谐振频率,当外界气压发生变化时,石墨烯的谐振频率必将发生变化,利用这种变化关系可以将石墨烯谐振器应用到传感器领域,有望研制出高精度的气压传感器。
附图说明
图1为根据本发明一实施方式的气压一种传感器的石墨烯谐振器结构(敏感结构,下同)示意图;
图2为根据本发明一实施方式的气压传感器的石墨烯测量石墨烯振动工作原理示意图;
图3为根据本发明一实施方式的气压传感器的石墨烯谐振器工艺流程框图;
图4为根据本发明一实施方式的气压又一种传感器的石墨烯谐振器结构示意图;
图5为根据本发明一实施方式的气压又一种传感器的石墨烯谐振器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示,否则在整个说明书和权利要求书中,术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分,而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1至图3所示,根据本发明优选实施方式的气压传感器,可以设置有高阻衬底,形成于高阻衬底上的源极电极、漏极电极和栅极电极,以及与栅极相对设置的悬浮形态的石墨烯薄层结构。
当然气压传感器也可以设置有基体,在基体上高阻衬底,形成于高阻衬底上的源极电极、漏极电极和栅极电极,以及与栅极相对设置的悬浮形态的石墨烯薄层结构。
基体可以选择半导体材质的,如采用单晶硅、多晶硅、带状硅等,在本方案中可以作为承载基质,如图1-2所示的情形;也可以作为栅极,如图4-5所示的情形。
高阻衬底形成于基体上,以使传感器的寄生电容获得削弱,从而获得良好的工作性能。
在形成高阻衬底后,可以通过光刻和金属沉积的形式形成有效的空腔结构和电极结构,并在转移获得石墨烯后从而形成了本发明传感器的石墨烯谐振结构,而满足传感器对压力传导的需求,可以采用包括而不限于图3所示的方法进行。
如图1所示,为石墨烯谐振器结构示意图,包括硅衬底1,二氧化硅层2,栅极电极3,源极电极41、漏极电极42,石墨烯薄层5。石墨烯谐振器的制备过程包括准备一个衬底硅上有一层厚度为500nm的氧化硅层2的硅片;利用干法刻蚀或湿法刻蚀技术将栅极电极3所在的沟槽刻蚀出来,刻蚀深度为100-200nm,宽度为2-3μm。栅极电极3和源极电极41、漏极电极42均可以通过光刻和金属沉积实现。金属电极由两层金属组成,底层为粘附层,可选铬或钛金属,厚度为5nm,上层为惰性金属,如Au,厚度为50nm;石墨烯薄层5利用标准湿法转移方式覆盖在金属电极表面,选择高阻衬底2的目的是为了最小化石墨烯薄层5与栅极电极3之间的寄生电容,寄生电容的存在会导致高频信号丢失。
如图2所示,为石墨烯谐振器工作原理示意图,栅极电极3为栅极,源极电极41、漏极电极42分别为源极和漏极。石墨烯是悬浮的,可以自由地机械振动。石墨烯薄层5与源极和漏极接触,当其悬浮在栅极上方时。通过在栅极上施加直流偏压,石墨烯薄层5就静态地偏向它。从而可以在此平衡位置上通过向栅极施加一定频率的交流电压,施加的交流电压会产生一个振荡力使石墨烯薄层5产生周期性振动。石墨烯薄层5振动时,石墨烯薄层5与栅极之间电容将会发生变化,此时测量流过石墨烯之间的电流能够读取石墨烯的谐振频率。当外界气压增大时,石墨烯与栅极之间介电常数将会增大,同时增大了栅极与石墨烯之间的电容,导致谐振频率减小,测量流过石墨烯之间的电流能够探测到石墨烯谐振频率变化大小。这样就能得出石墨烯的谐振频率与外界气压的变化关系,用作气压传感器。
如图3所示,为石墨烯谐振器工艺流程框图,首先在氧化硅基底表面旋涂一层光刻胶或电子束抗蚀剂,然后根据所用的涂胶材料可以选择紫外曝光或者电子束曝光,这里所用的胶为正胶。曝光后经过显影在光刻胶表面形成所需要刻蚀的图案,之后利用湿法刻蚀或干法刻蚀对曝光后的区域进行刻蚀,具体方法为氢氟酸溶液刻蚀或者反应离子刻蚀法。刻蚀完成后需要利用丙酮把残留的光刻胶去除掉,之后再次旋涂两层不同分子量的光刻胶,目的是为了使后续沉积的金属更容易脱离。之后再次经过曝光出所需要沉积的金属电极图案,金属沉积方法可以选择热蒸发或者电子束蒸发的方式,这里因为金对二氧化硅的附着力不强,为了增强附着力,需要沉积两层金属,先沉积一层钛或者铬,而后在沉积上层金。沉积金属过后需要利用丙酮去除残余的光刻胶以及光刻胶表面的金属,之后利用异丙醇去除多余的丙酮溶液。最后一步需要将石墨烯转移到源极电极和漏极电极表面,可以利用标准湿法转移或者干法转移的方法转移石墨烯薄层5。以上就完成了石墨烯谐振器的制备。
此外,如图4所示的,传感器的石墨烯谐振器还有另一结构,此时衬底硅1为掺杂后的硅衬底,可作为栅极结构。因为掺杂后的硅衬底具有导电性,而且由于沟槽宽度较小,在沟槽内制作电极对套刻精度要求比较高,而这种背栅结构在制作时不需要考虑套刻精度,能够减小制作工艺的复杂度。还有一个优势在于当石墨烯振动幅度较大时,不会因为接触到沟槽中的栅极电极发生短路。
此外如图5所示,石墨烯薄层5也可以在源极电极41、漏极电极42的下方。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种气压传感器,包括敏感结构,其特征在于,所述敏感结构包括
高阻衬底;
形成于高阻衬底上的源极电极、漏极电极和栅极电极,所述源极电极以及漏极电极限定于高阻衬底同一侧,所述栅极电极限定于高阻衬底上与源极电极同一侧或栅极电极限定于高阻衬底上相对于源极电极的另一侧;
设置到源极电极和漏极电极的石墨烯薄层结构;
所述高阻衬底与石墨烯薄层结构之间形成有腔室;
工作时,在栅极电极栅极电极上施加直流偏压,石墨烯薄层结构静态地偏向所述栅极电极形成平衡位置,进而在此状态下通过向栅极施加一定频率的交流电压,使石墨烯薄层结构产生周期性振动,当腔室所处的环境压力发生变化时,周期性振动发生变化即完成气压检测。
2.如权利要求1所述的气压传感器,其特征在于,所述高阻衬底表面形成有凹槽以及位于凹槽周围的平台。
3.如权利要求2所述的气压传感器,其特征在于,所述高阻衬底的平台上形成有源极电极和漏极电极,凹槽内形成有栅极。
4.如权利要求1或3所述的气压传感器,其特征在于,所述源极电极和/或漏极电极和/或栅极电极为至少一层导电结构。
5.如权利要求4所述的气压传感器,其特征在于,所述源极电极和/或漏极电极和/或栅极电极包括两层金属层,其中底层用于将上层结合到高阻衬底。
6.如权利要求5所述的气压传感器,其特征在于,所述底层为包含铬、钛中至少一种的金属层。
7.如权利要求5所述的气压传感器,其特征在于,所述上层为包含金的金属层。
8.如权利要求1所述的气压传感器,其特征在于,所述高阻衬底为氧化硅衬底。
9.如权利要求1所述的气压传感器,其特征在于,所述栅极电极限定于高阻衬底上相对于源极电极的另一侧时,其为半导体结构。
10.如权利要求1-9任一所述的气压传感器的制备方法,其特征在于,包括对形成于基体上的高阻衬底依据设计进行光刻;在光刻后的高阻衬底上形成源极电极、漏极电极、栅极电极;向源极电极、漏极电极转移形成悬浮形态的石墨烯薄层结构。
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