CN118112056A - 传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了传感器及其制备方法和应用。传感器包括衬底，衬底包括间隔设置的第一衬底和第二衬底；位于第一衬底上的第一金属层，第一金属层包括源极、第一电极、第二电极和第一纳米线电极，第一电极和第二电极位于源极的两侧，第一纳米线电极连接第一电极和第二电极；位于第二衬底上的第二金属层，第二金属层包括漏极、第三电极、第四电极和第二纳米线电极，第三电极和第四电极位于漏极的两侧，第二纳米线电极连接第三电极和第四电极。由此，该传感器可以用于测量微纳尺寸的功能氧化物薄膜的多种物理性能，可以至少在一定程度上缓解甚至解决样品测试过程中由于样品生长基底的存在导致的功能氧化物薄膜物性检测结果不准确、不可靠的问题。
Description
技术领域
本申请涉及薄膜物性测量技术领域，具体地，涉及传感器及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，对于功能氧化物器件开发和应用的研究呈现小型化、智能化（如自组装、自供电、多功能）和柔性化的趋势，以适用于日益复杂的应用场景和日益提高的性能指标需求。氧化物优异的电-光-磁-热响应及耦合性质使其具有发展为高性能、低能耗、高集成密度的智能电子器件的潜力，智能电子器件包括传感器、驱动器、表面声波器件、存储器和柔性电子器件等。氧化物的结构形式也进一步地精细化，从三维的块体到二维的薄膜再到近一维的纳米线，对于结构的调控和研究尺度趋向微纳层级。功能氧化物薄膜具有异于块体的结构-性能联系，具有尺寸效应、界面效应，目前已经展现在忆阻器、晶体管、存储器等方面的应用潜力。
研究人员围绕功能氧化物的一系列物理性质和效应开展了多种多样的研究，功能氧化物展现了广阔的应用场景，经典物性包括热性能（热导率、热扩散系数）、电性能（电子电导率、离子电导率、介电常数等）、磁性能（磁导率、磁化强度等）等，一系列物性耦合的效应包括热电效应的Seebeck系数（塞贝克系数）、热释电效应的热释电系数、压电效应的压电系数等。这些材料物性和物性耦合的效应都和功能氧化物的晶体结构（对称性）、相构成和化学组成密切相关，对于功能氧化物薄膜的物性测量是研究薄膜体系的结构控制和性能的优化和耦合的关键组成部分，功能氧化物薄膜的原位制备-表征-测试有助于揭示特定结构和性能的直接关联，对于结合功能氧化物结构-性能的研究具有重要意义。
因此，开发一种能够实现微纳尺度下功能氧化物薄膜本征全物性测量的传感器具有深远意义。
发明内容
本申请是基于发明人对于以下事实和问题的发现和认识作出的：
对于大多数通过在基底上外延生长的功能氧化物薄膜而言，其物性测量的过程往往是直接在基底上进行的，在检测过程中，无法避免基底与样品之间存在的热、电、力等的传输，导致对材料本征物性检测不精确等问题。除此之外，目前，对于微纳尺寸功能氧化物薄膜样品物性的全物性集成化测试方法较为欠缺，且对于指定区域的原位测试主要通过对块体样品选区制样和TDTR（时域热反射）等光学手段来实现。因此，开发一种消除基底对功能氧化物薄膜全物性的集成化测量影响的器件和方法具有重要意义。
本申请旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中的至少一个。为此，本申请的一个目的在于提出一种用于准确、可靠、直接地测量功能氧化物薄膜全物性的传感器，该器件的使用可以有效实现对于微纳尺寸的功能氧化物薄膜样品的全物性测试，其可测的物性参数包括热导率、电导率、Seebeck系数、载流子浓度、载流子迁移速率、涉及电-磁-热输运特性等，解决了由于基底对样品的影响造成样品本征物性测量不准确等问题。
在本申请的一方面，本申请提出了一种传感器。在本申请的一些实施例中，所述传感器包括：衬底，所述衬底包括间隔设置的第一衬底和第二衬底；位于所述第一衬底上的第一金属层，所述第一金属层包括源极、第一电极、第二电极和第一纳米线电极，所述第一电极和所述第二电极位于所述源极的两侧，所述第一纳米线电极连接所述第一电极和所述第二电极；位于所述第二衬底上的第二金属层，所述第二金属层包括漏极、第三电极、第四电极和第二纳米线电极，所述第三电极和所述第四电极位于所述漏极的两侧，所述第二纳米线电极连接所述第三电极和所述第四电极。由此，该传感器可以用于测量微纳尺寸的功能氧化物薄膜的多种物理性能，可以至少在一定程度上缓解甚至解决样品测试过程中由于样品生长基底的存在导致的功能氧化物薄膜物性检测结果不准确、不可靠的问题。
在本申请的一些实施例中，所述第一衬底包括自下而上依次层叠的第一氮化硅层、第一硅层和第二氮化硅层，所述第二衬底包括自下而上依次层叠的第三氮化硅层、第二硅层和第四氮化硅层。
在本申请的一些实施例中，所述传感器满足以下条件中的至少之一：所述第一氮化硅层的厚度和所述第三氮化硅层的厚度各自独立地为10nm~50nm；所述第二氮化硅层的厚度和所述第四氮化硅层的厚度各自独立地为10nm~50nm；所述第一硅层的厚度和所述第二硅层的厚度各自独立地为200μm~500μm。
在本申请的一些实施例中，所述第一金属层的材质和所述第二金属层的材质各自独立地包括金、铂、铜中的至少之一。上述材质导电性能优异，有利于功能氧化物薄膜物理性能的测量。
在本申请的一些实施例中，所述第一金属层的厚度和所述第二金属层的厚度各自独立地为50nm~150nm。
在本申请的一些实施例中，所述源极、所述漏极、所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极的上表面均为梯形；所述第一纳米线电极、所述第一电极和所述第二电极为一体结构；所述第二纳米线电极、所述第三电极和所述第四电极为一体结构。
在本申请的一些实施例中，所述传感器满足以下条件中的至少之一：所述第一纳米线电极的长度和所述第二纳米线电极的长度各自独立地为10μm~50μm；所述第一纳米线电极的宽度和所述第二纳米线电极的宽度各自独立地为0.6μm~2μm；所述第一纳米线电极的厚度和所述第二纳米线电极的厚度各自独立地为50nm~150nm。
在本申请的另一方面，本申请提出了一种制备前面所述的传感器的方法。在本申请的一些实施例中，制备前面所述的传感器的方法包括：提供硅片；在所述硅片的上表面形成整层的氮化硅薄膜，在所述硅片的下表面形成间隔设置的第一氮化硅层和第三氮化硅层；自下而上刻蚀所述硅片，使所述硅片形成间隔设置的第一硅层和第二硅层；在所述氮化硅薄膜的上表面形成第一金属层和第二金属层，其中，所述第一金属层包括源极、第一电极、第二电极和第一纳米线电极，所述第一电极和所述第二电极位于所述源极的两侧，所述第一纳米线电极连接所述第一电极和所述第二电极，所述第二金属层包括漏极、第三电极、第四电极和第二纳米线电极，所述第三电极和所述第四电极位于所述漏极的两侧，所述第二纳米线电极连接所述第三电极和所述第四电极；刻蚀所述氮化硅薄膜，使所述氮化硅薄膜形成间隔设置的第二氮化硅层和第四氮化硅层。由此，利用上述方法制备得到的传感器可以用于测量功能氧化物薄膜的多种物理性能。
在本申请的一些实施例中，制备前面所述的传感器的方法满足以下条件中的至少之一：采用等离子体增强化学气相沉积法形成所述氮化硅薄膜；采用等离子体增强化学气相沉积法形成所述第一氮化硅层和所述第三氮化硅层；采用氢氧化钾湿法刻蚀方法刻蚀所述硅片；采用反应离子刻蚀机刻蚀所述氮化硅薄膜。
在本申请的又一方面，本申请提出了前面所述的传感器在测量功能氧化物薄膜的热导率、电导率、塞贝克系数、载流子浓度、载流子迁移率、变温磁滞回线、定温磁滞回线、霍尔电阻变化曲线和/或拉曼光谱中的应用。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本申请一个实施例的传感器的结构示意图；
图2显示了根据本申请实施例的传感器和功能氧化物薄膜的结构示意图；
图3显示了根据本申请一个实施例的第一衬底的结构示意图；
图4显示了根据本申请一个实施例的第二纳米线电极的结构示意图；
图5显示了根据本申请一个实施例的漏极的结构示意图；
图6显示了根据本申请一个实施例的第四电极的结构示意图；
图7显示了根据本申请一个实施例制备传感器的方法流程图；
图8显示了根据本申请一个实施例在传感器上放置功能氧化物薄膜的方法流程图；
图9显示了采用本申请一个实施例的传感器测量功能氧化物薄膜物理性能的电路图；
图10显示了采用本申请实施例的传感器测量功能氧化物薄膜的电导率的等效电路图。
附图标记说明：
100：第一衬底；110：第一氮化硅层；120：第一硅层；130：第二氮化硅层；200：第二衬底；210：第三氮化硅层；220：第二硅层；230：第四氮化硅层；S：源极；a：第一电极；b：第二电极；10：第一纳米线电极；D：漏极；D-1：第一边；D-2：第二边；D-3：第三边；D-4：第四边；c：第三电极；d：第四电极；d-1：第五边；d-2：第六边；d-3：第七边；d-4：第八边；20：第二纳米线电极；30：功能氧化物薄膜；40：有机膜层；1：硅片；2：氮化硅薄膜。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
随着研究需求的增长，目前已经开发出多种针对功能氧化物不同物性的测量方法，例如针对热导率的三倍频（3）法、针对热扩散系数的瞬态平面热源法、针对电导率的直线四点法和范德堡法等。市面上已经出现针对薄膜样品的物性测试系统，QuantumDesign开发的物性测量系统（Physical Property Measurement System，缩写为PPMS）可以实现对于比热、磁化率以及电和热输运特性（如霍尔效应、热电优值和塞贝克效应等）多种物性的测量，开发的MPMS-XL SQUID磁力计允许测量在特定磁场强度和温度区间的磁化强度（磁矩）和交流磁化率；嘉仪通（Joule Yacht）开发了一系列针对特定热、电物性测试的设备，其中，薄膜热导率测试系统（TCT-3HT）采用3/>测试方法，利用微/纳米薄膜材料热传递引起加热器电信号的变化来检测其热导率，薄膜热电参数测试系统（MRS-3）采用动态法和四线法针对薄膜材料获取变温Seebeck系数和电阻率。事实上，针对块体样品的物性测量系统也能实现对一定尺寸薄膜的物性测量，例如ZEM系统可以实现L×W×D=(8~16)×(2~4)×(0.5~1)mm3薄膜样品（包含基底）的Seebeck系数和电阻率测试，通常情况下，L的尺寸需要至少10mm及以上以确保热电偶探针接触良好；PPMS在大约10mm×10mm的测量区域内仅支持2个样品。
上述方法所测量的功能氧化物薄膜底部通常需要基底加持，而由于功能氧化物薄膜往往通过脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，简称PLD）在晶格尺寸适配的单晶基片上外延生长制备，因此制备的薄膜实质上存在晶内应力的赝晶层，导致测试得到的物性并非本征物性。除此之外，普遍地，对于氧化物薄膜样品的物性表征较为分立，无法实现对于同一样品简洁直接的集成化的综合物性测量。进一步地，当前的测量方法往往对于薄膜样品（包含基底）的尺寸大小要求在毫米-厘米级别，对于微纳尺寸的氧化物薄膜的物性研究案例较少，对于样品尺寸的容忍性不足，并且，由于测试样品的尺寸相对较大，测试得到的综合物性是平均性质，无法兼顾样品的定域选择-测试。
为了消除基底对样品物性测试的影响、拓宽功能氧化物薄膜样品的尺寸限制并且兼顾对于全物性的集成化测试，在本申请的一方面，本申请提出了一种用于功能氧化物薄膜本征全物性测量的传感器。
在本申请的一些实施例中，参考图1和图2，传感器可以包括衬底、第一金属层和第二金属层。
在本申请的一些实施例中，参考图1和图2，衬底可以包括间隔设置的第一衬底100和第二衬底200，第一金属层位于第一衬底100上，第二金属层位于第二衬底200上，其中，第一金属层可以包括源极S、第一电极a、第二电极b和第一纳米线电极10，第一电极a和第二电极b位于源极S的两侧，第一纳米线电极10连接第一电极a和第二电极b；第二金属层可以包括漏极D、第三电极c、第四电极d和第二纳米线电极20，第三电极c和第四电极d位于漏极D的两侧，第二纳米线电极20连接第三电极c和第四电极d。由此，该传感器可以用于测试微纳尺寸的功能氧化物薄膜的多种物理性能，并且，测试结果不受功能氧化物薄膜生长基底的影响，测试结果更为准确。
在本申请的一些实施例中，参考图1和图2，第一衬底100可以包括自下而上依次层叠的第一氮化硅层110、第一硅层120和第二氮化硅层130，第二衬底200可以包括自下而上依次层叠的第三氮化硅层210、第二硅层220和第四氮化硅层230。
在本申请的一些实施例中，参考图3，第一氮化硅层110的厚度h1可以为10nm~50nm，例如，h1可以为10nm、15nm、20nm、30nm、40nm、45nm、50nm等。
在本申请的一些实施例中，参考图3，第一硅层120的厚度h2可以为200μm~500μm，例如，h2可以为200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm等。第一硅层的厚度在上述范围内，可以实现较高效的氢氧化钾湿法刻蚀，在较短的时间内避免蚀刻过程中H2气泡对电极结构的破坏和表面粗糙度的提升。
在本申请的一些实施例中，参考图3，第二氮化硅层130的厚度h3可以为10nm~50nm，例如，h3可以为10nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、50nm等。
在本申请的一些实施例中，第三氮化硅层210的厚度可以为10nm~50nm，例如，第三氮化硅层210的厚度可以为15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、45nm、50nm等。
在本申请的一些实施例中，第二硅层220的厚度可以为200μm~500μm，例如，第二硅层220的厚度可以为200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm等。第二硅层的厚度在上述范围内，可以实现较高效的氢氧化钾湿法刻蚀，在较短的时间内避免蚀刻过程中H2气泡对电极结构的破坏和表面粗糙度的提升。
在本申请的一些实施例中，第四氮化硅层230的厚度可以为10nm~50nm，例如，第四氮化硅层230的厚度可以为10nm、15nm、25nm、30nm、35nm、45nm、50nm等。
第二氮化硅层130的厚度和/或第四氮化硅层230的厚度在上述范围内，可以在反应离子刻蚀中保护第一金属层和第二金属层的结构，使得第一金属层和第二金属层可以保留较为良好的电极结构。
在本申请的一些实施例中，第一氮化硅层110和第三氮化硅层210可以具有相同的厚度，第一硅层120和第二硅层220可以具有相同的厚度，第二氮化硅层130和第四氮化硅层230可以具有相同的厚度。需要说明的是，两个膜层具有相同的厚度，可以指的是两个膜层的厚度差≤5%。
在本申请的一些实施例中，第一金属层的材质和第二金属层的材质可以各自独立地包括金、铂、铜中的至少之一，例如，第一金属层的材质和第二金属层的材质可以各自独立地为金、铂或铜。上述材质均具有良好的导电性能，可以用于连接外电路，从而有利于功能氧化物薄膜物理性能的测量。
在本申请的一些实施例中，第一金属层的材质和第二金属层的材质可以相同，由此，在制备过程中，可以利用同一工艺步骤形成，一方面，可以节约制备时间，另一方面，利用同一工艺步骤制备的膜层厚度较为均一，更有利于功能氧化物薄膜平整地放置在传感器的金属层上，更有利于功能氧化物薄膜各种物理性能的测量。在本申请的一些具体实施例中，第一金属层和第二金属层的材质可以均为金。
在本申请的一些实施例中，第一金属层的厚度和第二金属层的厚度可以各自独立地为50nm~150nm，例如，第一金属层的厚度和第二金属层的厚度可以各自独立地为50nm、80nm、100nm、120nm、150nm等。由此，第一金属层的厚度或第二金属层的厚度在上述范围内，有利于传感器的小型化，还有利于降低传感器的制备成本。
在本申请的一些实施例中，参考图1、图2和图4，第一纳米线电极10和第二纳米线电极20可以均为长方体。
在本申请的一些实施例中，第一纳米线电极10的长度可以为10μm~50μm，例如，第一纳米线电极10的长度可以为10μm、20μm、30μm、40μm、50μm等。
在本申请的一些实施例中，第一纳米线电极10的宽度可以为0.6μm~2μm，例如，第一纳米线电极10的宽度可以为0.6μm、0.8μm、1μm、1.3μm、1.5μm、1.8μm、2μm等。
在本申请的一些实施例中，第一纳米线电极10的厚度可以为50nm~150nm，例如，第一纳米线电极10的厚度可以为50nm、80nm、100nm、120nm、150nm等。
第一纳米线电极10的长度、宽度和/或厚度在上述范围内，有利于功能氧化物薄膜物理性能的测量，尤其是热导率的测量。
在本申请的一些实施例中，参考图4，第二纳米线电极20的长度L1可以为10μm~50μm，例如，L1可以为10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm等。
在本申请的一些实施例中，参考图4，第二纳米线电极20的宽度W1可以为0.6μm~2μm，例如，W1可以为0.6μm、0.7μm、0.9μm、1μm、1.2μm、1.5μm、1.7μm、2μm等。
在本申请的一些实施例中，参考图4，第二纳米线电极20的厚度h4可以为50nm~150nm，例如，h4可以为50nm、70nm、90nm、100nm、120nm、130nm、150nm等。
第二纳米线电极20的长度、宽度和/或厚度在上述范围内，有利于功能氧化物薄膜物理性能的测量，尤其是热导率的测量。
在本申请的一些实施例中，参考图1和图2，第一纳米线电极10、第一电极a和第二电极b可以为一体结构，第一纳米线电极10的两端可以分别与第一电极a和第二电极b的一个表面的尺寸一一对应。在制备过程中，第一纳米线电极10、第一电极a和第二电极b可以采用同种材质通过同一工艺步骤制备得到。
在本申请的一些实施例中，参考图1和图2，第二纳米线电极20、第三电极c和第四电极d可以为一体结构，第二纳米线电极20的两端可以分别与第三电极c和第四电极d的一个表面的尺寸一一对应。在制备过程中，第二纳米线电极20、第三电极c和第四电极d可以采用同种材质通过同一工艺步骤制备得到。
在本申请的一些实施例中，参考图1和图2，第一纳米线电极10和第二纳米线电极20悬空设置，即是说，第一纳米线电极10和第二纳米线电极20下方没有结构支撑，进一步的，第一电极a、第二电极b、第三电极c和第四电极d与纳米线电极连接的部分区域也可以是悬空的。
在本申请的一些实施例中，参考图1、图2、图5和图6，源极S、漏极D、第一电极a、第二电极b、第三电极c和第四电极d的上表面可以均为梯形，上述形状的电极便于热导率测试过程中保持热平衡，从而提高热导率测试的准确度。
在本申请的一些实施例中，参考图5，漏极D的上表面具有第一边D-1、第二边D-2、第三边D-3和第四边D-4，第一边D-1平行于第二边D-2，并且，第一边D-1的长度小于第二边D-2的长度，第二边D-2、第三边D-3和第四边D-4中，最长的一条边的长度可以为50μm~150μm（例如，50μm、60μm、80μm、100μm、110μm、130μm、150μm等）。
源极S的上表面的尺寸可以参考漏极D的上表面的尺寸进行设置和调整，在此不再赘述。在本申请的一些实施例中，源极S的上表面的最长边的长度也可以为50μm~150μm。
在本申请的一些实施例中，参考图6，第四电极d的上表面具有第五边d-1、第六边d-2、第七边d-3和第八边d-4，第五边d-1平行于第六边d-2，并且，第五边d-1的长度小于第六边d-2的长度，第六边d-2、第七边d-3和第八边d-4中，最长的一条边的长度可以为50μm~150μm（例如，50μm、70μm、80μm、100μm、120μm、130μm、150μm等）。
第一电极a、第二电极b和第三电极c的上表面的尺寸可以参考第四电极d的上表面的尺寸进行设置和调整，在本申请的一些实施例中，第一电极a、第二电极b或第三电极c的上表面的最长边的尺寸可以为50μm~150μm。
在本申请的一些实施例中，第一电极a、第二电极b、第三电极c和第四电极d的上表面的最长边的尺寸均可以在50μm~150μm范围内，源极S、漏极D的上表面的最长边的尺寸均可以在50μm~150μm范围内，并且，上述电极的上表面可以均为梯形，通过COMSOL验证，上述形状和尺寸的电极可以更好地保证热流传递在整个功能氧化物薄膜样品-电极结构中的热平衡，从而更有利于测量功能氧化物薄膜的热导率等与热传递相关的物理性能。
在本申请的一些实施例中，第一电极a、第二电极b、第三电极c和第四电极d的形状和尺寸可以相同，源极S和漏极D的形状和尺寸可以相同，第一纳米线电极10和第二纳米线电极20的形状和尺寸可以相同。在本申请的一些实施例中，参考图4、图5和图6，第二纳米线电极20的厚度h4、漏极D的厚度h5、第三电极的厚度、第四电极d的厚度h6均相同。
总的来说，本申请传感器的设计具有以下优势：1）悬架器件结构可以避免功能氧化物薄膜样品与基底的接触，避免基底对于功能氧化物薄膜的应力作用以及传感器和样品向基底的漏热等测试干扰，实现对于功能氧化物薄膜（例如，半导体功能氧化物薄膜）本征物性的直接测试，保证热、电流等通量在薄膜样品的单一流向，提高测试过程的稳定性、传感的灵敏度和测试结果的准确度。2）功能氧化物薄膜底部完全悬空，可容电子束等穿过，有效兼容透射电子显微成像功能。可以实现在测量同一个样品热、电、热电转换等物性的同时，利用透射电子显微镜获得薄膜样品的本征晶格结构参数及原位表征位错等微结构信息。3）该传感器可以实现对微米-纳米尺寸功能氧化物薄膜样品的集成化的全物性测试，便于对同一样品进行多物性原位测量，突破传统测量方法对样品尺寸要求的限制，还可根据样品尺寸个性化定制器件。因此，本申请提出的传感器可以实现对于半导体功能氧化物薄膜全物性准确、可靠的测试。
在本申请的另一方面，本申请提出了一种制备前面所述的传感器的方法。在本申请的一些实施例中，参考图7，制备前面所述的传感器的方法可以包括以下步骤：
步骤（1）：提供硅片1，在硅片1的上表面形成整层的氮化硅薄膜2，在硅片1的下表面形成间隔设置的第一氮化硅层110和第三氮化硅层210。
在本申请的一些实施例中，硅片1可以为双面抛光硅片，厚度可以为200μm~500μm，上述厚度的硅片可以在后续刻蚀过程中实现较高效的氢氧化钾湿法刻蚀，在较短的时间内避免蚀刻过程中H2气泡对电极结构的破坏和表面粗糙度的提升。
在本申请的一些实施例中，可以采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）形成氮化硅薄膜2，由此，可以形成厚度均一的膜层，氮化硅薄膜表面平整，有利于在其上形成其他膜层。
在本申请的一些实施例中，可以采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）形成第一氮化硅层110和第三氮化硅层210。在形成第一氮化硅层和第三氮化硅层的过程中，可以使用掩膜版，仅在硅片下表面的部分区域沉积氮化硅，便于后续对硅片的刻蚀。
步骤（2）：自下而上刻蚀硅片1，使硅片1形成间隔设置的第一硅层120和第二硅层220。
在本申请的一些实施例中，可以采用氢氧化钾湿法刻蚀方法自下而上刻蚀硅片。在本申请的一些具体实施例中，刻蚀硅片之后，可以在第一硅层和第二硅层之间形成上窄下宽的空隙，如图7所示。在本申请的另一些具体实施例中，刻蚀硅片之后，也可以在第一硅层和第二硅层之间形成上下尺寸一致的空隙。
步骤（3）：在氮化硅薄膜2的上表面形成第一金属层和第二金属层。
参考图1、图2和图7，第一金属层可以包括源极S、第一电极a、第二电极b和第一纳米线电极10，第一电极a和第二电极b位于源极S的两侧，第一纳米线电极10连接第一电极a和第二电极b，第二金属层可以包括漏极D、第三电极c、第四电极d和第二纳米线电极20，第三电极c和第四电极d位于漏极D的两侧，第二纳米线电极20连接第三电极c和第四电极d。关于各个电极的形状、尺寸、材质等，均已在前面进行了详细说明，在此不再赘述。
第一金属层和第二金属层可以采用相同的材质通过同一工艺步骤形成，由此，形成的第一金属层和第二金属层的厚度均匀，便于功能氧化物薄膜的平整放置。
在本申请的一些实施例中，可以通过热蒸镀金、铂或铜的方法来形成第一金属层和第二金属层。
步骤（4）：刻蚀氮化硅薄膜2，使氮化硅薄膜2形成间隔设置的第二氮化硅层130和第四氮化硅层230。
通过刻蚀氮化硅薄膜，可以将第一纳米线电极和第二纳米线电极下方的氮化硅薄膜去除，从而在将功能氧化物薄膜置于第一金属层和第二金属层上方之后，功能氧化物薄膜中间的部分区域下方是悬空的状态，可以避免部分薄膜与衬底的接触，从而避免衬底对于薄膜的应力作用以及纳米线电极和薄膜样品向衬底的漏热等测试干扰，实现对薄膜本征物性的直接测试，提高测试过程的稳定性、传感的灵敏度和测试结果的准确度；功能氧化物薄膜底部部分区域完全悬空，可容电子束等穿过，可以有效兼容透射电子显微镜成像功能，利用透射电子显微镜获得样品的本征晶格参数及原位表征位错等微结构信息。
在本申请的一些实施例中，可以采用反应离子刻蚀机刻蚀氮化硅薄膜2。
利用上述方法制备传感器，操作简便，产品良率较高，并且，制备得到的传感器可以用于功能氧化物薄膜多种物理性能的测试。
在本申请的又一方面，本申请提出了前面所述的传感器在测量功能氧化物薄膜的热导率、电导率、塞贝克系数、载流子浓度、载流子迁移率、变温磁滞回线、定温磁滞回线、霍尔电阻变化曲线和/或拉曼光谱等物理性能中的应用。
在本申请的一些实施例中，参考图8，可以采用定向转移的方法将功能化氧化物薄膜30转移到传感器上。
具体的，功能氧化物薄膜30可以通过PLD外延生长得到，参考图8，通过定向转移方法将功能氧化物薄膜30转移至第一金属层和第二金属层上方，先在功能氧化物薄膜30的表面涂覆（例如，旋涂）一层约300纳米厚的有机膜层40，利用微机械转移系统将所需尺寸的功能氧化物薄膜30转移至目标位置，之后，去除功能氧化物薄膜30表面的有机膜层40。
在本申请的一些具体实施例中，功能氧化物薄膜30的材质可以为SrTiO3。
在本申请的一些实施例中，参考图2，功能氧化物薄膜30可以覆盖第一纳米线电极10的部分表面、第二纳米线电极20的部分表面并搭接在源极S和漏极D上。在本申请的另一些实施例中，功能氧化物薄膜30还可以进一步覆盖第一电极a的部分表面、第二电极b的部分表面、第三电极c的部分表面和/或第四电极d的部分表面。
在本申请的一些具体实施例中，有机膜层40可以为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）。
在本申请的一个具体实施例中，提供双面抛光的硅片（约300μm厚），分别在其顶部和底部通过等离子体增强化学气相沉积法沉积30nm厚度的氮化硅，其中，顶部沉积连续的氮化硅薄膜，底部通过掩膜版沉积间隔设置的第一氮化硅层和第三氮化硅层；利用氢氧化钾湿法刻蚀技术从下往上刻蚀硅片，其中，顶部的氮化硅薄膜作为刻蚀停止层；在上述部分顶部沉积厚度约100纳米的金膜层，包括第一金属层和第二金属层；利用反应离子刻蚀机刻蚀第一纳米线电极和第二纳米线电极下方的氮化硅薄膜；准备好前期通过PLD外延生长的SrTiO3薄膜样品，并通过定向转移技术将其转移至第一纳米线电极和第二纳米线电极上方，具体的，先在薄膜样品表面旋涂一层约300纳米厚的PMMA，利用微机械转移系统将所需尺寸的样品转移至目标点，之后，除去薄膜样品表面的PMMA。
下面结合附图对功能氧化物薄膜的一些物理性能（参数）的测量原理进行详细说明：
参考图9，在测量功能氧化物薄膜30的物理性能时，可以根据需要连接外部电路，搭建好器件的检测电路以实现对检测信号的捕获。
一、对薄膜样品热导率进行表征。
该物性表征过程需要用到1和3两条回路（图9中I1、V1、I3、V3对应的回路），传感器中的两条纳米线电极均可用作加热器和电阻温度计。在测量过程中其中一条纳米线电极作为热线，另一条作为冷线。热线被施加一个较大的电压用做加热器，同时也用作电阻温度计测量温度，并给冷线施加一个较小的电压，作为电阻温度计测量其温升。当给热线施加一个较大的电压时，由于焦耳热的作用，热线会有较大的温升，此时热线与冷线之间会产生一个温度梯度，热量便会通过中间的样品由热线传递到冷线中。样品的热导率决定了传递的热量大小，也决定了冷线的温升大小。因此，若测得了冷热线的温升便可以通过后续的数值计算获得待测样品的热导率。
需要注意的是，在加热之前，为了能够通过电阻变化反映出热线与冷线的温度变化，需要通过相关实验步骤标定两者（两条纳米线电极）的电阻温度系数。以0℃为例，应用电路1和3测试冷热端纳米线电极（冷线和热线）的初始电阻R0，改变两端电压-电流，获得P(V×I）-R(V/I)曲线（功率-电阻曲线），其中，V×I为功率P，V/I为电阻R，截距为R0即可获得两端的初始电阻，冷热两端电极的电阻温度系数已知，进一步地，应用电路1和3测量施加冷热温度梯度后两端纳米线的温升曲线，样品将在一定的真空度和一定的温度条件下开展测试。最终得到各温度条件下的温升曲线斜率k=ΔTH/ΔTC，和薄膜样品的电阻温度系数相关，ΔTH为热线的温度变化，ΔTC为冷线的温度变化。在COMSOL有限元模型中预设一个材料的热导率进行数值计算，可以获取整个模型的温度分布，同时可以根据数值计算结果计算出热线和冷线的平均温升ΔTHC及ΔTCC及其比值ΔTHC/ΔTCC，通过迭代趋近于实验获取的ΔTH/ΔTC值以得到材料的热导率。
二、对薄膜样品电导率进行表征。
该物性表征需要用到电路2（图9和图10中I2、V2对应的电路，图10中的电路相当于图9中电路2的等效电路）。通过开尔文四线法测量薄膜样品的电导率，该方法可以消除外电路导线的电阻对测量结果的影响。使用高精度数字万用表Keithley 2002测量流过薄膜样品的电压U2（电压表V2的示数）和电流I2（电流表I2的示数）。二维材料的电导率计算公式如式（1）所示：
式（1）中，I2为电流表I2的示数，a2为功能氧化物薄膜30的长度，L2为功能氧化物薄膜30的宽度，d2为功能氧化物薄膜30的厚度，U2为电压表V2的示数。
三、对薄膜样品载流子浓度和载流子迁移率进行表征。
参考图9，传感器可看作一种六接触1-2-2-1式霍尔棒装置（Six-Contact 1-2-2-1Hall bar device），即有一对源极（S）和漏极（D），还有四个电极端（逆时针依次命名为a、b、c、d），电流通过源极和漏极，其中由电流流经源极至漏极标注为“+”，反之，则标注为“-”，由于垂直于表面的感应磁场B（±指示磁场极性方向，“+”指沿电极所在水平面垂直向上的方向，“-”指沿电极所在水平面垂直向下的方向）而产生的霍尔电压VH在四个电极端反应为测得电压的偏移/>、/>，其中/>指电极端i和j之间的电压，“+”指电流流经源极至漏极，“-”指电流流经漏极至源极。四个电极端的电阻通过四个电压数据和/>得出，磁阻的计算公式如下：
其中，以为例，指的是+B磁场对应的bc之间的电压偏移。
类似于开尔文四探针法，通过改变电流流向，消除外电路导线的电阻对测量结果的影响，以和/>为例，如果/>和/>得到的值误差在±10%以内，则可以取平均值得到最终的磁阻/>。
霍尔系数的计算公式如下：
霍尔迁移率计算公式如下：
载流子浓度计算公式如下：
其中q为电荷数，霍尔电压计算公式如下，其中t为样品厚度：
四、对薄膜样品磁输运性能进行表征。
本申请的传感器可以施加垂直于样品水平面的外磁场，磁感应强度可以基于法拉第电磁感应定律通过感应电流的变化测得。基于磁感应强度的测试基础，可以实现变温磁滞回线测试、定温磁滞回线及一系列相关磁参数如磁导率、矫顽力和饱和磁感应强度等（从定温磁滞回线中获取）。
五、对于薄膜样品光生热电效应、光电效应等光激发效应的研究。
本申请的传感器兼容拉曼光谱等原位区域的光谱表征，可以基于霍尔效应的原理测得样品的霍尔电阻随着光辐照功率以及电压的变化，进而获得载流子浓度和迁移率的变化信息，反映材料在光激发下的结构-性能响应。
在本申请的一些实施例中，功能氧化物薄膜30的尺寸、数量等可根据测量需求进行调整。
在需要对目标功能氧化物进行物性测量时，可以按照以下步骤进行操作：根据实验需求制备目标功能氧化物自支撑薄膜；根据实验需求制备传感器件；将目标功能氧化物薄膜选区转移到传感器件核心部位；确保器件与外部电路的有效连接；通过检测器件信号输出的情况对待测样品相关信息进行分析。
总的来说，本申请提出的传感器可以用于微纳尺寸（例如，厚度在20nm至几百纳米范围内）的功能氧化物薄膜多种物理性能的测量，还可根据样品尺寸设计和制备传感器；本申请提出的传感器不仅可以实现对功能氧化物薄膜本征物性的分析，还能改善传统物性测试对基底的依赖和样品尺寸的限制，实现较高的准确性、可靠性和灵敏度。
在本申请的描述中，术语 “上”、“下”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申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。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。另外，需要说明的是，本说明书中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”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。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种传感器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底包括间隔设置的第一衬底和第二衬底；
位于所述第一衬底上的第一金属层，所述第一金属层包括源极、第一电极、第二电极和第一纳米线电极，所述第一电极和所述第二电极位于所述源极的两侧，所述第一纳米线电极连接所述第一电极和所述第二电极；
位于所述第二衬底上的第二金属层，所述第二金属层包括漏极、第三电极、第四电极和第二纳米线电极，所述第三电极和所述第四电极位于所述漏极的两侧，所述第二纳米线电极连接所述第三电极和所述第四电极。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一衬底包括自下而上依次层叠的第一氮化硅层、第一硅层和第二氮化硅层，所述第二衬底包括自下而上依次层叠的第三氮化硅层、第二硅层和第四氮化硅层。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，满足以下条件中的至少之一：
所述第一氮化硅层的厚度和所述第三氮化硅层的厚度各自独立地为10nm~50nm；
所述第二氮化硅层的厚度和所述第四氮化硅层的厚度各自独立地为10nm~50nm；
所述第一硅层的厚度和所述第二硅层的厚度各自独立地为200μm~500μm。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一金属层的材质和所述第二金属层的材质各自独立地包括金、铂、铜中的至少之一。
5.根据权利要求1~3中任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一金属层的厚度和所述第二金属层的厚度各自独立地为50nm~150nm。
6.根据权利要求1~3中任一项所述的传感器，其特征在于，所述源极、所述漏极、所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极的上表面均为梯形；
所述第一纳米线电极、所述第一电极和所述第二电极为一体结构；
所述第二纳米线电极、所述第三电极和所述第四电极为一体结构。
7.根据权利要求1~3中任一项所述的传感器，其特征在于，满足以下条件中的至少之一：
所述第一纳米线电极的长度和所述第二纳米线电极的长度各自独立地为10μm~50μm；
所述第一纳米线电极的宽度和所述第二纳米线电极的宽度各自独立地为0.6μm~2μm；
所述第一纳米线电极的厚度和所述第二纳米线电极的厚度各自独立地为50nm~150nm。
8.一种制备权利要求1~7中任一项所述的传感器的方法，其特征在于，包括：
提供硅片；
在所述硅片的上表面形成整层的氮化硅薄膜，在所述硅片的下表面形成间隔设置的第一氮化硅层和第三氮化硅层；
自下而上刻蚀所述硅片，使所述硅片形成间隔设置的第一硅层和第二硅层；
在所述氮化硅薄膜的上表面形成第一金属层和第二金属层，其中，所述第一金属层包括源极、第一电极、第二电极和第一纳米线电极，所述第一电极和所述第二电极位于所述源极的两侧，所述第一纳米线电极连接所述第一电极和所述第二电极，所述第二金属层包括漏极、第三电极、第四电极和第二纳米线电极，所述第三电极和所述第四电极位于所述漏极的两侧，所述第二纳米线电极连接所述第三电极和所述第四电极；
刻蚀所述氮化硅薄膜，使所述氮化硅薄膜形成间隔设置的第二氮化硅层和第四氮化硅层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，满足以下条件中的至少之一：
采用等离子体增强化学气相沉积法形成所述氮化硅薄膜；
采用等离子体增强化学气相沉积法形成所述第一氮化硅层和所述第三氮化硅层；
采用氢氧化钾湿法刻蚀方法刻蚀所述硅片；
采用反应离子刻蚀机刻蚀所述氮化硅薄膜。
10.权利要求1~7中任一项所述的传感器在测量功能氧化物薄膜的热导率、电导率、塞贝克系数、载流子浓度、载流子迁移率、变温磁滞回线、定温磁滞回线、霍尔电阻变化曲线和/或拉曼光谱中的应用。
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