CN115096430A - 自组装全向高温振动传感阵列及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于二维晶体压电材料的自组装全向高温振动传感阵列，属于振动传感器技术领域，其中每个单元包括单晶硅衬底；形成于单晶硅衬底上的应力层；形成于应力层上的异质结，异质结包括顺序设置的栅电极、介电层、二维晶体压电材料层、位于二维晶体压电材料层上下边线两侧的源电极、漏电极和纳米防护层；利用应力层驱动，将异质结自组装为一种呈卷曲状的半圆形三维结构。在上述结构上进行多层(≥3)圆周阵列，得到三维自组装全向压电振动传感阵列结构。本发明还公开一种基于二维晶体压电材料的自组装全向高温振动传感阵列的制作方法。通过单片集成实现了全向振动传感器的微型化，同时还实现了高灵敏度、宽量程和耐高温检测。
Description
技术领域
本发明涉及振动传感器技术领域，具体涉及一种基于二维晶体压电材料的自组装全向高温振动传感阵列及其制作方法。
背景技术
压电振动传感器是一种把振动信号转换为电信号的振动检测设备，根据压电效应将振动信号转化为相应的电流。其中，基于二维晶体压电材料的自组装振动传感器单元通过阵列集成实现全向振动的检测。全向振动传感器在航空航天、国防军事以及交通运输等领域有着非常重要的作用。但是由于目前比较成熟的类型是以组合式三轴向为代表的多轴向振动传感器，该类传感器易受其他方向振动影响且不易解耦，同时由于每个轴向振动元件存在差异，又容易导致它们在精度、灵敏度方面受限。此外，该类传感器由于封装方式所限导致其体积大、功耗高，整体可靠性极易受到影响，使得该类型传感器的应用范围受限。
为了克服组合式多轴振动传感器存在的问题实现微型化全向振动检测，研究人员将目光投向单片集成式全向振动检测。Wei等人展示了一种利用标准微机电系统(MEMS)工艺制造的基于单晶铌酸锂薄膜的新型MEMS振动传感器，设计、优化了四悬臂梁MEMS振动传感器的结构，提高了器件的性能。He等人介绍了一种使用单质量块的三轴加速度计，敏感结构由一个检测质量块和八个悬臂梁组成，12个压阻结构对称地放置在悬臂梁上，可以用来检测三维加速度，同时还显著降低了跨轴灵敏度。然而，由于多悬臂梁耦合以及振动敏感区域较小的限制，使得精度相对较低、量程受限。而且该类器件工艺复杂，无法完全依托半导体平面工艺批量生产，导致成本较高。除此之外，已有的单片集成式全向振动传感器关于高温应用方面的研究较少，进一步导致应用范围受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二维晶体压电材料的自组装全向高温振动传感阵列及其制作方法，通过三维微管结构可以大幅度减小芯片的占用面积，减小器件功耗，进而大幅提高全向振动传感器的综合性能，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于二维晶体压电材料的自组装全向高温振动传感阵列，包括：
单晶硅衬底(1)；
形成于所述单晶硅衬底上的牺牲层；
形成于所述牺牲层上的应力层(3)；
形成于所述应力层上的异质结，所述异质结包括顺序设置的栅电极(4)、介电层(5)、二维晶体压电材料层(6)、分别位于二维晶体压电材料层上下边线两侧的源电极(7)、漏电极(8)和纳米防护层(9)结构；所述应力层使得所述异质结自组装为半圆形三维结构；在上述结构上进行多层(≥3)圆周阵列，得到三维自组装全向压电振动传感器阵列结构(10)。
第二方面，本发明提供一种如商所述的基于二维晶体压电材料的自组装全向高温振动传感阵列的制备方法，包括如下步骤：
制备单晶硅衬底(1)；
在所述单晶硅衬底(1)上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成应力层(3)；
在所述应力层(3)上制备栅电极(4)；
在所述应力层(3)和栅电极(4)上形成介电层(5)；
在所述介电层(5)上形成二维晶体压电材料层(6)；
在所述二维晶体压电材料层(6)上制备分别位于二维晶体压电材料层上下边线两侧的源电极(7)和漏电极(8)；
在所述源电极(7)和漏电极(8)上形成纳米防护层(9)；
所述栅电极、介电层、二维晶体压电材料层、源电极、漏电极和纳米防护层构成异质结；
刻蚀所述牺牲层；
所述应力层使得栅电极、介电层、二维晶体压电材料层、源电极、漏电极和纳米防护层自组装为半圆形三维结构；
在上述结构上进行多层(≥3)圆周阵列，得到三维自组装全向压电振动传感器阵列结构(10)。
优选的，所述多层(≥3)自组装半圆形三维结构的圆周阵列，得到三维自组装全向压电振动传感器阵列结构。
优选的，所述牺牲层为能被刻蚀液刻蚀的金属层。
优选的，所述应力层(3)为SU-8、氧化硅或氮化硅。
优选的，所述介电层(5)为五氧化二钽或氮化硼层。
优选的，所述二维晶体压电材料层(6)为单层或多层二维晶体压电材料。
优选的，所述栅电极(4)、源电极(7)和漏电极(8)为铬-金、钛-金、钯-金或钛-铂二维晶体电极。
优选的，所述应力层(3)和二维晶体压电材料层(6)上设有粘附层，所述粘附层为铬、钛或钯粘附层材料，厚度为5nm-30nm；所述粘附层上设有导电层，所述导电层材料为金或铂，厚度为10nm-100nm。
优选的，所述纳米防护层(9)为氮化铝或氮化硅层。
本发明有益效果：
(1)本发明具备全向振动信号检测能力且可单片集成。该器件为类花瓣型结构，器件整体由内外多层(≥3)不同直径、曲率的自组装半圆形三维结构器件阵列构成。其中每一个半圆形三维结构均是利用压、拉双应力层驱动平面二维器件制得的，由于其独特的自组装卷曲结构，所提出的这种半圆形三维压电振动传感器对垂直于半圆形中心轴方向(即径向)的所有振动均敏感，利用这种特殊结构进行圆周阵列使得器件具备全向检测的能力。同时，依托可控的平面制备工艺，可实现整个全向传感器系统的单片集成，大大降低器件系统的结构复杂度并减少连线，同时还有利于降低成本。
(2)本发明具备高灵敏度检测能力且耐高温。该自组装结构中的应力可以打破二维晶体压电材料的本征对称性，进一步提高压电特性，获得较高的压电系数(石墨烯可达14.8×103pC/N)，从而为实现超高的灵敏度奠定了基础。在发生振动时，半圆形三维结构的曲率半径发生改变，三维结构中的二维晶体压电材料产生压电电势，通过检测源漏电极间的压电电流，即可实现对振动的高灵敏度检测。当振动强度较小时，可以通过施加源漏偏压和/或栅极电压，放大和调控三维的压电电流，从而提高灵敏度。此外，由于整个器件使用项目组自主研发的纳米防护层进行保护，可以耐受极高的温度，所以能够在保证器件可靠性和稳定性的情况下实现大温度范围的振动检测。
(3)本发明具备大量程检测能力且可以实现自供电。该自组装类花瓣型结构器件阵列中不同曲率的器件阵列对不同的振动频率的敏感度不同，因此这种结构使得器件具备大量程检测能力。同时由于压电效应，在振动强度较大的情况下，无需施加源漏偏压和栅极电压，便可以实现自供电检测。甚至可以使用电容收集三维器件在振动过程中产生的压电电流，为信号处理电路及无线收发模块供电，从而实现自供电无线振动检测系统。由此，可以大大减小器件尺寸、体积以及内部结构的复杂性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的基于二维晶体压电材料的自组装全向高温振动传感阵列结构示意图。
图2本发明实施例所述的基于二维晶体压电材料的自组装全向高温振动传感阵列制作方法流程图。
其中：1-单晶硅衬底；3-应力层；4-栅电极；5-介电层；6-二维晶体压电材料层；7-源电极；8-漏电极；9-纳米防护层；10-压电振动传感器阵列结构。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式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。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例
本实施例中提出了一种基于二维晶体压电材料的自组装全向高温振动传感阵列，该传感阵列为类花瓣型结构，器件整体由内外多层(≥3)不同直径、曲率的自组装半圆形三维器件阵列构成。不同曲率的器件阵列圈对不同的振动频率的敏感度不同，这种结构使得器件具备大量程、高灵敏度检测能力。由于其独特的自组装卷曲结构，使得器件的整个二维晶体压电材料面都可以大面积直接实时的感受振动，利用这种特殊结构可以达到全向检测的目的。同时，依托可控的平面制备工艺，使得基于二维晶体压电材料的单片集成全向高温振动传感的实现成为可能。
本实施例中的基于二维晶体压电材料的高温振动传感阵列，是将应力层驱动的异质结自组装结构阵列为一种类花瓣型的自组装全向高温振动传感阵列装置。
如图1所示，该自组装全向高温振动传感阵列具体包括：单晶硅衬底1，在单晶硅衬底1上有牺牲层，在牺牲层上覆盖有应力层3，在应力层3上制作有栅电极4，在应力层3及栅电极4上有介电层5，介电层5上覆盖有二维晶体压电材料层6，在二维晶体压电材料层6上分别位于二维晶体压电材料层上下边线两侧制作有源电极7和漏电极8，在源电极7和漏电极8上覆盖有纳米防护层9。栅电极4、介电层5、二维晶体压电材料层6、源电极7、漏电极8和纳米防护层9形成了一个带有栅、源、漏电极的平面二维介电层/二维晶体压电材料/纳米防护层异质结，应力层3使得带有栅、源、漏电极的平面二维介电层/二维晶体压电材料/纳米防护层异质结在牺牲层被刻蚀后自组装为半圆形三维结构。在上述结构上进行多层(≥3)圆周阵列，得到三维自组装全向压电振动传感器阵列结构10。
应注意的是，牺牲层由于被刻蚀，图中并未示出。
本实施例中，栅电极4、介电层5、二维晶体压电材料层6、源电极7、漏电极8和纳米防护层9构成带有栅、源、漏电极的平面二维异质结，应力层3使得该异质结在牺牲层被刻蚀后自组装为半圆形三维结构。
本实施例中，牺牲层为能被刻蚀液刻蚀的金属层，例如铝(A1)、铜(Cu)等金属材料。刻蚀液不会对应力层3、栅电极4、介电层5、二维晶体压电材料层6、源电极7、漏电极8和纳米防护层9产生影响。其制作方法为，将单晶硅片1置于配比为1:4的双氧水和硫酸混合液中，在85摄氏度下将硅片煮15min，去除表面污迹，用去离子水冲洗、烘干；在单晶硅片1上利用光刻技术、薄膜淀积技术和剥离技术制作牺牲层，牺牲层的厚度为10～200nm。
本实施例中，应力层3为SU-8、氧化硅(SiOx)或氮化硅(SiNx)等具有高透光率的应力层材料。其制备方法为：通过等离子增强化学气相淀积技术淀积SiNx层；利用光刻技术在应力层3区域形成光刻胶掩膜层；采用反应离子刻蚀去除无光刻胶覆盖的SiNx层；用丙酮清洗光刻胶，留下应力层3图形，完成应力层3的制备。
本实施例中，介电层5为五氧化二钽(Ta2O5)或氮化硼(BN)介电层。应注意的是，本发明中的介电层5可为其他具有同等性质的常规介电层，并不限于本发明中五氧化二钽(Ta2O5)或氮化硼(BN)。其制备方法为：通过等离子增强化学气相淀积技术或原子层淀积等薄膜淀积技术淀积介电层5，厚度为5-50nm；利用光刻技术在介电层5区域形成光刻胶掩膜层；采用反应离子刻蚀去除无光刻胶覆盖的介电层5；用丙酮清洗光刻胶，留下介电层5图形，完成介电层5的制备。
本实施例中，二维晶体压电材料层6为单层或多层石墨烯或还原氧化石墨烯等二维晶体压电材料。
本实施例中，栅电极4、源电极7和漏电极8为铬/金(Cr/Au)、钛/金(Ti/Au)、钯/金(Pd/Au)或钛/铂(Ti/Pt)二维晶体电极。铬(Cr)、钛(Ti)或钯(Pd)粘附层材料厚度为5nm-30nm，金(Au)或铂(Pt)导电层厚度为10nm-100nm。
其中，栅电极的制备方法如下：通过光刻在栅电极4区域形成光刻胶开孔；用热蒸发或电子束蒸发或者磁控溅射技术淀积金属材料；采用剥离工艺去除光刻胶及附着在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成栅电极4的制备。
源电极与漏电极的制备方法如下：通过光刻在源电极7及漏电极8区域形成光刻胶开孔；用热蒸发或电子束蒸发技术淀积金属材料；采用剥离工艺去除光刻胶及附着在光刻胶上的金属材料，留下电极图形，完成源电极7及漏电极8的制作。
本实施例中，纳米防护层9为氮化铝(AIN)或氮化硅(Si3N4)等具有高温防护能力的纳米防护材料。其制备方法为：通过等离子增强化学气相淀积技术淀积纳米防护层；利用光刻技术在纳米防护层9区域形成光刻胶掩膜层；采用反应离子刻蚀去除无光刻胶覆盖的纳米防护层；用丙酮清洗光刻胶，留下纳米防护层9图形，完成纳米防护层9的制备。
刻蚀牺牲层时，将芯片浸入牺牲层的刻蚀溶液中；应力层3驱动栅电极4、介电层5、二维晶体压电材料层6、源电极7、漏电极8和纳米防护层9自组装为基于二维晶体压电材料的自组装全向高温振动传感阵列。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于二维晶体压电材料的自组装全向高温振动传感阵列，其特征在于，包括：
单晶硅衬底(1)；
形成于所述单晶硅衬底(1)上的应力层(3)；
形成于所述应力层(3)上的异质结，所述异质结包括顺序设置的栅电极(4)、介电层(5)、二维晶体压电材料层(6)、分别位于二维晶体压电材料层上下边线两侧的源电极(7)、漏电极(8)和纳米防护层(9)结构；所述应力层(3)使得所述异质结自组装为半圆形三维结构；在上述结构上进行多层圆周阵列，得到三维自组装全向压电振动传感器阵列结构(10)。
2.一种如权利要求1所述的基于二维晶体压电材料的自组装全向高温振动传感阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备单晶硅衬底(1)；
在所述单晶硅衬底(1)上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成应力层(3)；
在所述应力层(3)上制备栅电极(4)；
在所述应力层(3)和栅电极(4)上形成介电层(5)；
在所述介电层(5)上形成二维晶体压电材料层(6)；
在所述二维晶体压电材料层(6)上制备分别位于二维晶体压电材料层上下边线两侧的源电极(7)和漏电极(8)；
在所述源电极(7)和漏电极(8)上形成纳米防护层(9)；
所述栅电极(4)、介电层(5)、二维晶体压电材料层(6)、源电极(7)、漏电极(8)和纳米防护层(9)构成异质结；
刻蚀所述牺牲层；
所述应力层(3)使得栅电极(4)、介电层(5)、二维晶体压电材料层(6)、源电极(7)、漏电极(8)和纳米防护层(9)自组装为半圆形三维结构；
在上述结构上进行多层圆周阵列，得到三维自组装全向压电振动传感器阵列结构(10)。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述多层自组装半圆形三维结构的圆周阵列，得到三维自组装全向压电振动传感器阵列结构(10)。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述牺牲层为能被刻蚀液刻蚀的金属层。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述应力层(3)为SU-8、氧化硅或氮化硅层。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述介电层(5)为五氧化二钽或氮化硼层。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述二维晶体压电材料层(6)为单层或多层二维晶体压电材料。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述栅电极(4)、源电极(7)和漏电极(8)为铬-金、钛-金、钯-金或钛-铂二维晶体电极。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述应力层和二维晶体压电材料层上设有粘附层，所述粘附层为铬、钛或钯粘附层材料，厚度为5nm-30nm；所述粘附层上设有导电层，所述导电层材料为金或铂，厚度为10nm-100nm。
10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米防护层(9)为氮化铝或氮化硅层。
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