CN114866056B - 一种压电驱动的氧化锌纳米线谐振器 - Google Patents

一种压电驱动的氧化锌纳米线谐振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，该谐振器包括衬底以及位于衬底上的固定端、纳米线、质量块和电源端；两个固定端位于衬底上，并且固定支撑两根纳米线，两个质量块连接两根纳米线的两端，与纳米线形成矩形电通路，两个电源端与固定端连接，为谐振器提供驱动电压。本发明公开的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，通过在半导体氧化锌纳米线上构成电回路，使纳米线两端部形成电势差，开创性地利用逆压电效应进行谐振器驱动，克服可了现有静电驱动的局限性，其驱动简单、驱动电压低、谐振频率高，用于谐振式加速度计上灵敏度高，具有广泛的应用前景。

Description

一种压电驱动的氧化锌纳米线谐振器
技术领域
本发明属于微纳机电领域，尤其涉及一种压电驱动的氧化锌纳米线谐振器。
背景技术
微纳谐振器是MEMS技术的典型应用之一，目前主要应用于微纳传感器中的惯性传感器和质量传感器等检测仪器，满足航空、航天、车辆、船舶、军事、生化等行业对高性能传感器件的需求。
随着微电子技术和微机械技术的发展及应用，对谐振传感器的响应速度、测量精度和测量范围提出了更高的要求，谐振器也从微米尺度发展到纳米尺度，其材料也从硅基材料逐渐向其他二维或一维纳米材料发展，以不断提高谐振频率满足传感器的测量要求。
现有的微米谐振器的驱动方式主要以静电驱动为主，除此之外辅助有电磁驱动和压电驱动，而纳米线谐振器其驱动方式仅有静电驱动，这种驱动方式对谐振器结构设计有一定要求，需要至少配置一对电极，由于电极的位置、绝缘方式和电学引出都需要在结构设计时加以考虑，因此静电驱动方式对纳米线而言存在局限性。
因此，亟需一种新的纳米线谐振器的电驱动方式以克服现有的静电驱动的局限性。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有的静电驱动的局限性，本发明提供一种压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，该谐振器通过结构设计，开创性地利用压电驱动，克服可了现有静电驱动的局限性，其驱动简单、驱动电压低、谐振频率高，用于谐振式加速度计上灵敏度高。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，所述谐振器包括衬底以及位于衬底上的固定端、纳米线、质量块和电源端；
所述固定端包括第一固定端和第二固定端，第一固定端和第二固定端中任意一个固定连接在衬底上，另一个固定连接在衬底上或者活动悬空在衬底上；第一固定端和第二固定端之间电绝缘且均具有金属层；
所述纳米线包括第一纳米线和第二纳米线，第一纳米线与第二纳米线分别平行固定在第一固定端和第二固定端上，与固定端金属层接触；固定端位于纳米线的中部，起到固定与支撑的作用；第一纳米线与第二纳米线极化方向相同且极化方向均沿纳米线轴向，且两者尺寸和材料也相同；
所述质量块包括第一质量块和第二质量块，第一质量块和第二质量块尺寸及材料均相同；第一质量块和第二质量块分别连接在两根纳米线的两端，底部悬空在衬底上方，质量块将两根纳米线电学连通并与纳米线形成矩形电通路；
所述电源端包括第一电源端和第二电源端，第一电源端和第二电源端分别与第一固定端和第二固定端连接。
优选的，所述第一固定端和第二固定端均包括顶部的金属层、中间硅层和底部氧化层，所述第一纳米线和第二纳米线分别固定在第一固定端和第二固定端的金属层与硅层之间，第一电源端和第二电源端分别与第一固定端和第二固定端的金属层连接。
优选的，所述第一纳米线与第二纳米线之间的距离不小于刻蚀深槽刻蚀宽度，即大于等于3μm。
优选的，所述第一纳米线与第二纳米线材料均为氧化锌。
优选的，所述第一电源端和第二电源端工作时输入电压相位相同、幅值相反、频率为谐振器的谐振频率。
优选的，所述第一质量块和第二质量块始终保持零电位。
优选的，所述第一纳米线与第二纳米线利用介电泳方法分别固定于第一固定端和第二固定端。
本发明的有益效果是：本发明公开的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，通过在半导体氧化锌纳米线上构成电回路，使纳米线两端部形成电势差，进而利用逆压电效应激励谐振器进行振荡，本发明开创性的将压电驱动方式应用在纳米谐振器上，克服了目前纳米谐振器只能利用静电驱动的局限性，以及静电驱动需要专门的电极而导致的谐振器结构的复杂性，其具有结构简单、驱动简单以及驱动所用的电压较低等优点，且相比利用膨胀振动的单根双端固定纳米线而言，本发明的谐振器振动方向明确，振动模态单一确定；本发明压电驱动的氧化锌纳米线谐振器可作为计时器或谐振加速度计的谐振器件，具有谐振频率高，灵敏度高等优点，在谐振式传感器上具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器的结构示意图；
图2为本发明的固定端的剖视图；
图3为本发明的质量块的剖视图；
图4为本发明压电驱动的氧化锌纳米线谐振器振动过程示意图；
图中：1.第一纳米线 2.第一纳米线 3.第一质量块 4.第二质量块 5.第一固定端6.第二固定端 7.第一电源端 8.第二电源端 9.衬底。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种如图1所示的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，该谐振器包括衬底9以及位于衬底9上的固定端、纳米线、质量块和电源端；如图1所示，固定端有两个，包括第一固定端5和第二固定端6，第一固定端5和第二固定端6根据实际的应用，可以都同时固定安装在衬底9上，也可以将其中任意一个与衬底9进行固定，另一个活动悬空，比如当谐振器应用于谐振式加速度传感器时，其中一个固定端是直接活动连接在加速度敏感结构上的，与加速敏感结构连接的固定端，其底部氧化层完全刻蚀并悬空可动；作为一种实施例，如图2所示，第一固定端5和第二固定端6均包括顶部的金属层、中间硅层和底部氧化层，固定端主要用于支撑及固定纳米线，为谐振器电源端提供接口以及电路的导通。
上述纳米线也有两根，包括第一纳米线1和第二纳米线2，第一纳米线1与第二纳米线2分别固定在第一固定端5和第二固定端6上，且固定在两个固定端的金属层与硅层之间；两个固定端分别位于两根纳米线的中部，对纳米线起到支撑、固定及电路导通的作用；两条纳米线之间保持一定的距离且相互平行，两者之间的距离最小不小于刻蚀深槽的刻蚀宽度。纳米线除了与固定端固定之外，其余均悬空；作为实施例本发明中压电纳米线为氧化锌半导体压电材料，两根纳米线均沿轴向极化且极化方向相同，第一固定端5距离第一质量块3和第二质量块4的距离相同。
如图3所示，上述质量块包括第一质量块3和第二质量块4，两个质量块均为导电金属，分别与两根纳米线的两端连接，将两根纳米线电学连通，与纳米线形成矩形电通路。由于纳米线具有一定刚度，质量块的高度低于固定端的高度，因此两个质量块的底部悬空在衬底9上方，可摆动；第一质量块3和第二质量块4的材料以及尺寸均相同。
上述电源端包括第一电源端7和第二电源端8，第一电源端7和第二电源端8分别与第一固定端5和第二固定端6的金属层连接；第一电源端7和第二电源端8在谐振器工作时输入交变电压，电压相位相同、幅值相反、频率为谐振器的谐振频率，第一电源端7连接第一固定端5的顶层金属，并通过第一纳米线1、第一质量块3或第二质量块4、第二纳米线2以及第二固定端6顶层金属与第二电源端8实现电通路；在第一电源端7与第二电源端8上设置电压相位相同、幅值相反，这样在第一质量块3和第二质量块4上就可保持稳定的零电位。
本发明公开的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器可作为谐振式传感器的谐振部件，如谐振式加速度传感器或质量传感器等，也可作为计时元件。
本发明公开的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器的起振过程如下：在第一电源端7和第二电源端8上输入相位相同、幅值相反且频率接近谐振器谐振频率的正弦电压，假设第一电源端7上的电压幅值为正，此时电流通过第一固定端5的顶层金属流经第一纳米线1、之后通过第一质量块3和第二质量块4、流经第二纳米线2，最后到达第二固定端6上，这个过程中第一质量块3和第二质量块4上可始终保持零电位。
当第一电源端7电压幅值为正，第二电源端8电压幅值为负，第一纳米线1和第二纳米线2的极化方向均向右，即从第一质量块3至第二质量块4时，处于第一质量块3和第一固定端5之间部分的第一纳米线1上的电场方向和极化方向相反，由于逆压电效应这部分纳米线缩短，处于第一固定端5和第二质量块4之间的第一纳米线1部分上的电场方向和极化方向相同，同样由于逆压电效应这部分纳米线伸长；同样在逆压电效应作用下，处于第一质量块3和第二固定端6之间的第二纳米线2伸长，处于第二质量块4和第二固定端6之间部分的第二纳米线2右半边缩短，此时第一质量块3被第一纳米线1和第二纳米线2牵引向上运动，即第二固定端指向第一固定端方向，第二质量块4向下运动，当两个电源端的输入电压幅值转换时，两个质量块的运动方向就发生转换，每个输入电压周期内完成一次运动方向转换，第一质量块3和第二质量块4在两个电源端输入能量作用下振幅不断增大直到与耗散能量相持，振动幅值稳定，其振动过程如图4所示，通过以上过程可以确定，本发明的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，其质量块的振动方向随着两个电源端输入电压的幅值的正负在改变，其振动方向是可以明确的，其过程如图4所示。
本发明的谐振器可用于谐振式传感器，当谐振器作为质量检测传感器时，第一质量块3和第二质量块4表面吸附相应气体分子质量发生改变，此时谐振器的谐振频率也随之发生变化，通过对谐振频率的检测，便可测量吸附的气体分子质量等信息；当谐振器应用于谐振式传感器时，第一固定端5或者第二固定端6连接于加速度传感器加速度敏感结构，底部悬空，加速度发生改变时，加速度敏感结构推动与其连接的固定端，使谐振器中第一纳米线1和第二纳米线2的间距发生改变，此时两根纳米线存在的内应力会导致谐振频率发生了改变，通过对谐振频率的检测，可以测量与加速度敏感结构连接的固定端的位移和加速度大小等信息。
本发明中纳米线采用介电泳装配的方式装配在MEMS工艺处理后的硅片上，并通过FIB工艺沉积金属作为固定和电路连通，结合一个实施例，说明本发明的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器的制备过程，具体包括以下步骤：
S1：SOI硅片准备，在硅片上进行LTO氧化层沉积并图案化，作为下一步深刻蚀硅的掩模；
S2：DRIE深刻蚀SOI器件层硅，以LTO沉积的氧化层做为掩膜，使用SOI硅片中间的氧化层作为停止层；
S3：在SOI刻蚀后的器件层表面溅射Au/Cr金属层并使其图案化后作为电极、电路导通和纳米梁的安装位置，并连接第一电源端和第二电源端；
S4：将溅射后的硅片放入高温氧化炉，在暴露的硅表面再次生长高温氧化层；
S5：去除SOI器件层表面上最终纳米梁端部需要悬空部分下方的氧化层，以便在纳米线安装后刻蚀掉下方硅实现悬空。
S6：在需要组装纳米线的两个端部电极上接入高频交流信号后滴入纳米线悬浮液开始介电电泳工艺，两根纳米线分别对准到电极位置，形成第一纳米线、第二纳米线；
S7：FIB聚焦离子束向需要固定的纳米线的端部和中心淀积Pt固定纳米梁，并刻蚀断多余的纳米梁，形成第一固定端、第二固定端和第一质量块和第二质量块；
S8：湿法各向同性刻蚀掉纳米梁端部下方的硅，使纳米梁端部质量块悬空可动；
S9：去除氧化层，释放结构，使第二固定端与检测位移部分的硅层悬空可动。

Claims (7)

1.一种压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，其特征在于，所述谐振器包括衬底以及位于衬底上的固定端、纳米线、质量块和电源端；
所述固定端包括第一固定端和第二固定端，第一固定端和第二固定端中任意一个固定连接在衬底上，另一个固定连接在衬底上或者活动悬空在衬底上；第一固定端和第二固定端之间电绝缘且均具有金属层；
所述纳米线包括第一纳米线和第二纳米线，第一纳米线与第二纳米线分别平行固定在第一固定端和第二固定端上，与固定端金属层接触；固定端位于纳米线的中部，起到固定与支撑的作用；第一纳米线与第二纳米线极化方向相同且极化方向均沿纳米线轴向，且两者尺寸和材料也相同；
所述质量块包括第一质量块和第二质量块，第一质量块和第二质量块尺寸及材料均相同；第一质量块和第二质量块分别连接在两根纳米线的两端，底部悬空在衬底上方，质量块将两根纳米线电学连通并与纳米线形成矩形电通路；
所述电源端包括第一电源端和第二电源端，第一电源端和第二电源端分别与第一固定端和第二固定端连接。
2.根据权利要求1所述的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，其特征在于，所述第一固定端和第二固定端均包括顶部的金属层、中间硅层和底部氧化层，所述第一纳米线和第二纳米线分别固定在第一固定端和第二固定端的金属层与硅层之间，第一电源端和第二电源端分别与第一固定端和第二固定端的金属层连接。
3.根据权利要求1所述的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，其特征在于，所述第一纳米线与第二纳米线之间的距离不小于刻蚀深槽刻蚀宽度。
4.根据权利要求1所述的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，其特征在于，所述第一纳米线与第二纳米线材料均为氧化锌。
5.根据权利要求1所述的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，其特征在于，所述第一电源端和第二电源端工作时输入电压相位相反、幅值相同、频率为谐振器的谐振频率。
6.根据权利要求1所述的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，其特征在于，所述第一质量块和第二质量块始终保持零电位。
7.根据权利要求1所述的压电驱动的氧化锌纳米线谐振器，其特征在于，所述第一纳米线与第二纳米线利用介电泳方法分别固定于第一固定端和第二固定端。
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