CN114906795B - 一种二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成电路领域、新型材料领域和电子信息领域，提供了一种二维MXenes材料原子尺度MEMS传感器及其制备方法与应用，能够实现高性能、低功耗、柔性和原子尺度的MEMS传感器；本发明制造的MEMS传感器，不仅可集成度高，可解决微机电系统中感应器尺寸大、功耗高、应用场景受限等问题，也可以为大尺寸传感器或者集成电路关键零部件材料提供新的思路；本发明采用二维MXenes材料作为MEMS传感器的核心组件，具有原子尺度、灵敏度高、功耗低和稳定性高、柔性和机械性能等优点，同时成本低廉，制造工艺成熟，作为商业化用途潜力巨大。

Description

一种二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器及其制备方法与应用，属于集成电路领域、新型材料领域和电子信息领域。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)传感器即微机电系统，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。
MEMS传感器是利用MEMS工艺制备的微结构，结合专用集成电路(ASIC)并采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型智能化微传感器，如微陀螺、微加速度计、微应力传感器等。
与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。
但是，目前MEMS传感器是由尺寸为1至100微米的部件组成，一般微机电设备的尺寸通常在20微米到一毫米之间。这种微米级MEMS传感器极大限制了其在下一代集成电路上的应用。
所以有必要开发原子尺度的MEMS传感器解决上述问题。因此，我们提出一种二维MXenes材料的MEMS传感器。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器及其制备方法与应用，二维MXenes材料是一种新型磁性材料，可构成一种原子尺度MEMS传感器，具有原子尺度的大小超高能量密度，以解决现阶段MEMS传感器尺寸大，功耗高等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供了一种二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器及其制备方法与应用，包括基板(1)、原子层厚度的MXenes感应器(2)、应力引入装置(3)、信号放大线圈(4)、盖板(5)。
作为一种优选方案，基板(1)主要作为原子尺度MEMS传感器的衬底，其次，通过刻蚀等工艺，在衬底上留出放置原子层厚度的MXenes感应器(2)的卡槽。
作为一种优选方案，选择二维MXenes材料为原子尺度MEMS传感器的感应原件，通过化学气相沉积在基板(1)及已成形的卡槽上沉积一层原子层厚度的原子层厚度的MXenes感应器(2)，后续通过刻蚀等工艺保留特定尺寸的原子层厚度的MXenes感应器(2)。
作为一种优选方案，在基板(1)的上方和原子层厚度的MXenes感应器(2)旁放置应力引入装置(3)，用于外部应力的感应与探测。
作为一种优选方案，在原子层厚度的MXenes感应器(2)的正上方安装信号放大线圈(4)，最后用盖板(5)将原子尺度MEMS传感器进行封装。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点；
本发明采用原子层厚度的MXenes感应器作为MEMS传感器中的核心感应器件，具有柔性、原子尺度、密度高、灵敏度高、功耗低和稳定性高等优点；
本发明采用原子层厚度的MXenes感应器作为MEMS传感器中的核心感应器件，能够实现更灵敏的应力感应，从而作为一种更高性能的新型MEMS传感器中的感应器件以及其他电子器件；
本发明制造的二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器，不仅可集成度高，可解决传统微机电系统中感应器尺寸大、功耗高、应用场景受限等问题，也可以为大尺寸传感器或者集成电路关键零部件材料提供新的思路。
本发明制造的二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器，成本低廉，制造工艺成熟，作为商业化用途很有展望。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明实施例中二维MXenes材料的结构示意图；
图2是本发明实施例中二维MXenes材料本征磁性随外应力改变的示意图；
图3是本发明实施例中二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器的原理图；
图4是本发明实施例中二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器整体结构示意图。
图中标号：1、基板；2、二维MXenes材料；3、应力引入装置；4、信号放大线圈；5、盖板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
请参阅图1，通过第一性原理方法，研究了二维MXenes材料本征的结构性质，并且通过声子图等其他方式验证了其结构的合理性与稳定性。
请参阅图2，对二维MXenes材料施加外部应力，探究了二维MXenes材料本征的磁性性质与外应力之间的关系。发现随着拉伸应变的增加，二维MXenes材料磁性性质会发生由反铁磁到铁磁性的转变。
请参阅图3，当对二维MXenes材料施加应力后，二维MXenes材料本征的磁性会发生改变。此时，由二维MXenes材料产生的磁场大小会发生变化。变化的磁场通过磁感应线圈会将变化的磁信号转变为电信号。此，就完成了机械信号到电信号的转变。
请参阅图4，本发明实施例提供的一种二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器，包括基板(1)、原子层厚度的MXenes感应器(2)、应力引入装置(3)、信号放大线圈(4)、盖板(5)。基板(1)主要作为原子尺度MEMS传感器的衬底，其次，通过刻蚀等工艺，在衬底上留出放置原子层厚度的MXenes感应器(2)的卡槽。通过化学气相沉积在基板(1)及已成形的卡槽上沉积一层原子层厚度的原子层厚度的MXenes感应器(2)，后续通过刻蚀等工艺保留特定尺寸的原子层厚度的MXenes感应器(2)。在基板(1)的上方和原子层厚度的MXenes感应器(2)旁放置应力引入装置(3)，用于外部应力的感应与探测。在原子层厚度的MXenes感应器(2)的正上方安装信号放大线圈(4)，最后用盖板(5)将原子尺度MEMS传感器进行封装。
本发明提供的一种二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器的工作原理如下：
当MEMS传感器受到外部的应力后，二维MXenes材料本征的磁性性质会发生反铁磁性到铁磁性的转变。反铁磁性对外不产生磁场，而铁磁性会产生磁场。由于应力的改变，会导致二维MXenes材料产生变化的磁场。将感应线圈放置在二维MXenes材料的上方，就可以利用变化的磁场产生感应电流。感应电流通过电流表就可以带动指针发生转动。此，完成了机械信号到电信号的转变，就可以对外部应力进行探测。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器的制备方法，其特征在于：传感器包括基板(1)、原子层厚度的MXenes感应器(2)、应力引入装置(3)、信号放大线圈(4)、盖板(5)，基板(1)主要作为原子尺度MEMS传感器的衬底，其次，通过刻蚀工艺，在衬底上留出放置原子层厚度的MXenes感应器(2)的卡槽，通过化学气相沉积在基板(1)及已成形的卡槽上沉积一层原子层厚度的MXenes感应器(2)，后续通过刻蚀工艺保留特定尺寸的原子层厚度的MXenes感应器(2)，在基板(1)的上方和原子层厚度的MXenes感应器(2)旁放置应力引入装置(3)，用于外部应力的感应与探测，在原子层厚度的MXenes感应器(2)的正上方安装信号放大线圈(4)，最后用盖板(5)将原子尺度MEMS传感器进行封装；MXenes感应器(2)为二维MXenes材料，随着对施加在该二维MXenes材料上的拉伸应变的增加，二维MXenes材料磁性性质会发生由反铁磁到铁磁性的转变，二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器通过以下方法制备：①以钛氢碳、铝粉和碳粉作为前驱体，在坩埚中煅烧后，对粉体进行刻蚀并超声，得到所述原子层厚度的Ti2C MXenes元器件的材料，构成所述衬底的材料为硅或者玻璃；②继续在衬底上放置应力感应装置和信号放大线圈，最后用盖板进行封装，构成二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器。
2.采用权利要求1所述的制备方法制备的二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器，其特征在于：包括基板、原子层厚度的MXenes感应器、应力引入装置、信号放大线圈和盖板，原子尺度MEMS传感器包括盖板、结构层和衬底，结构层由原子层厚度的MXenes感应器和衬底形成的密闭空腔组成；所述衬底顶部粘接有应力引入装置，用于接收外部应力；所述信号放大线圈采用金锡焊工艺焊接在盖板上，将磁信号转变为电信号。
3.根据权利要求2所述的二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器，其特征在于：盖板的材料为硅或玻璃。
4.根据权利要求2所述的二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器，其特征在于：应力引入装置的材料为铜片。
5.根据权利要求2所述的二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器，其特征在于：所述的信号放大线圈的材料与应力引入装置材料相同。
6.根据权利要求2所述的二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器，其特征在于，二维MXenes材料采用以下步骤制备：
以钛氢碳、铝粉和碳粉作为前驱体，放入坩埚在氩气的保护下在1400℃保温2小时后，得到MAX材料，随后通过刻蚀液对MAX材料进行腐蚀，选择性的腐蚀掉MAX相中的A对应的元素，再将其浸入四丁基氢氧化铵溶液中超声，超声后得到所述二维MXenes材料。
7.二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器在存储用途的应用，其特征在于，传感器为权利要求2-6中任一项的二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器，通过改变施加在MXenes感应器上的应变，使MXenes感应器的本征磁基态自发地产生A型反铁磁到铁磁性的可逆转变，MXenes感应器产生的磁场由于外部应变的变化而有规律地产生或消失，改变的磁场可以通过磁感应线圈产生感应电压，感应电压通过控制栅极，允许电子进入浮动栅极，从而完成信息的写入，调整外部应变即可实现信息的高效存储。
8.二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器在外部应力探测中的应用，其特征在于，传感器为权利要求2-6中任一项的二维MXenes材料的原子尺度MEMS传感器，通过改变施加在MXenes感应器上的应变，使MXenes感应器的本征磁基态自发地产生A型反铁磁到铁磁性的可逆转变，MXenes感应器产生的磁场由于外部应变的变化而有规律地产生或消失，就可以利用变化的磁场产生感应电流，感应电流通过电流表就带动指针发生转动，完成了机械信号到电信号的转变，就可以对外部应力进行探测。
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