CN1553211A

CN1553211A - 一种场发射磁敏传感器

Info

Publication number: CN1553211A
Application number: CNA03117972XA
Authority: CN
Inventors: 曾葆青; 田时开; 杨中海
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-12-08

Abstract

本发明提供了一种利用碳纳米管薄膜(或金刚石薄膜)的场发射制成的磁敏传感器，它包括下基底1、第一金属膜2、第一绝缘膜3、第二金属膜4、第二绝缘膜5、第三金属膜6、间隔器7、上基底9、阳极8、绝缘膜22，其特征是它还包括薄膜12，薄膜12位于第一金属膜2上正中间，作为场发射电子源；薄膜12可以采用碳纳米管薄膜，也可以采用或金刚石薄膜。本发明制作工艺相对比较简单，成本相对较低，具有良好的热稳定性和导电性，在很低的工作电压下就能得到较大的发射电流，并且能在高温环境下稳定工作。

Description

一种场发射磁敏传感器

技术领域：

本发明属于电子技术领域，它特别涉及磁敏传感器。

背景技术：

传统的应用霍尔效应检测磁场强度的传感器通常是先生长化合物半导体薄膜，然后经光刻，蒸管等精密加工形成元件，最后用塑料封装。其原理是利用半导体中的电子在磁场下发生偏转而得出待测磁场强度。由于电子是在半导体中运动，比较电子在真空中运动，其运动速度与灵敏度受到较大的限制，且其工作环境还将受到高温和核辐射的限制。

M.I.Marques和P.A.Serena在《Solid-State Electronic》上发表的论文《Fieldemission magnetic sensors based on focusing devices》(Solid-State Electronics 45(2001)977-986)展示了一种有着聚焦装置的场发射真空微电子磁敏传感器，如附图1所示。它包括下基底1、第一金属膜2、第一绝缘膜3、第二金属膜4、第二绝缘膜5、第三金属膜6，在第一金属膜2上正中间的发射阴极采用功函数较高的钼楔形尖锥或硅楔形尖锥作发射电子源。与固态器件磁敏传感器相比，它具有抗辐射、抗静电、灵敏度高的特点，且它的尺寸非常小，这就使得它的应用范围非常广，从普通的家用设备到昂贵的宇宙飞船上的分析设备，都用得上它。但是这种真空微电子磁敏传感器的发射阴极一般采用便于微细加工的钼楔形尖锥或硅楔形尖锥，由于钼或硅的场电子发射的开启电场高(通常在5×10⁷V/cm以上，才能观察到电子的场发射现象)，为增强发射体表面的电场，其发射阴极的尖端曲率半径必须做得很小(几～几十纳米量级)，以便在较低的工作电压(通常几十伏以上)下得到很大的尖端场强来获得较大的发射电流。但由于发射尖端很细，工作过程中对真空度的要求很高，否则由于粒子的回轰很容易损坏发射体顶端，而实际的场发射来至于发射体顶端很小的区域，该处发射发射电流密度很大，同时由于钼和硅的导热特性不够理想，将导致发射时该处温度高，从而寿命短，且制作工艺比较复杂，成本比较高。

发明内容：

本发明目的是提供一种场发射磁敏传感器，它具有制作工艺简单、成本较低、热稳定性和导电性良好、场电子发射的开启电场低、发射电流大等特点。

本发明提供的一种场发射磁敏传感器，它包括下基底1、第一金属膜2、第一绝缘膜3、第二金属膜4、第二绝缘膜5、第三金属膜6、间隔器7、上基底9、阳极8、绝缘膜22，其特征是它还包括薄膜12，薄膜12位于第一金属膜2上正中间，作为场发射电子源；薄膜12可以采用碳纳米管薄膜，也可以采用金刚石薄膜。

需要说明的是，间隔器7在第三金属膜6上，在上基底9有两个阳极8，它通过绝缘膜22隔开，两阳极8各与一电流表相连。由此可制成一微型可方便测量磁场强度的磁敏传感器。

碳纳米管薄膜或金刚石薄膜可用化学气相沉积法沉积制成。为增大阳极电流，可使本发明场发射磁敏传感器的长度L远大于其宽度D₁；上基底9、下基底1可采用石英和陶瓷，第一、第二、第三金属膜可采用铬、钼、银或钨。

本发明的实质是采用碳纳米管薄膜或金刚石薄膜取代钼楔形尖锥或硅楔形尖锥作为发射电子源，其原因在于碳纳米管薄膜或金刚石薄膜场发射的开启电场低，因为碳纳米管顶端极小的曲率半径，由于尖端效应，电子能在较低的宏观电场作用下发射到真空，而碳纳米管薄膜中包含无数的碳纳米管，另外产生场发射的碳纳米管薄膜中发生场发射的尖端形状各异，总的场发射电流是众多尖端场发射电流之和，因此碳纳米管薄膜场发射电流是发射面的平均效果，碳纳米管个别尖端的损坏或端口结构的改变对总的场发射电流影响不大。所以碳纳米管薄膜场发射比起钼楔形尖锥或硅楔形尖锥场发射可以在较高的压强条件下工作；碳纳米管薄膜场发射电流的稳定性也好于钼楔形尖锥或硅楔形尖锥场发射电流的稳定性。而金刚石薄膜在其晶向(111)面具有负电亲和势，且其场发射的开启电场(10⁴～10⁵V/cm)比钼或硅等的开启电场低2～3个数量级，金刚石薄膜还是热导率最高的材料之一，具有很好的化学稳定性，故它也能在平面下发射电子，还具有发射稳定性好、发射时对真空度要求较低等优点；碳纳米管薄膜和金刚石薄膜采用平面发射体也能得到可观察到的场发射电流。

采用碳纳米管薄膜或金刚石薄膜平面发射体代替楔型硅或钼发射体，它具有工作电压较低、且封装时对真空度要求较低、并能提高稳定性和可靠性、其制备工艺相对较低、便于减少成本等优点。

本发明中的场发射阴极采用碳纳米管薄膜或金刚石薄膜平面发射体，制作工艺相对比较简单，成本相对较低。具有良好的热稳定性和导电性。在很低的工作电压下就能得到较大的发射电流。并且能在高温环境下稳定工作。因此，一个使用碳纳米管薄膜或金刚石薄膜的场发射阴极做成的磁敏传感器的寿命和灵敏度能得到极大的提高，且能适应的工作环境更广。

附图说明：

图1是现有的场发射真空微电子磁敏传感器结构示意图

其中，1是下基底，2是第一金属膜，3是第一绝缘膜，4是第二金属膜，5是第二绝缘膜，6是第三金属膜，7是间隔器，8是阳极，9是上基底，11是楔型发射体，22是绝缘膜；w₁是第一金属膜2的厚度，w₂是第一绝缘膜3的厚度，w₃是第二金属膜4的厚度，w₄是第二绝缘膜5的厚度，w₅是第三金属膜6的厚度，w₆是间隔器7的厚度，w₇是阳极8的厚度，D₁是传感器的宽度，D₂是第二金属膜4矩形沟道宽，D₃是第三金属膜6矩形沟道宽，L是传感器长度。

图2是本发明的碳纳米管的真空微电子磁敏传感器结构示意图

其中，1是下基底，2是第一金属膜，3是第一绝缘膜，4是第二金属膜，5是第二绝缘膜，6是第三金属膜，7是间隔器，8是阳极，9是上基底，12是薄膜，22是绝缘膜；

图3是本发明的碳纳米管的真空微电子磁敏传感器的外部接线图

其中，两电流表分别接左右两阳极8。

在图1、图3中E₁接在第一金属膜2与第二金属膜4上，E₂接在第一金属膜2与第三金属膜6上，E₃接在第一金属膜2与阳极8上。

具体实施方式

下面将通过详细的实施例及参照附图来更清晰地描述本发明。但是，本发明所列实施例只为详细描述本发明，本发明的实施例可以有各种形式，所以，本发明的保护范围并不限于该实施例。

参照附图2，本发明具有一下基底1，第一金属膜2在下基底1上，厚度W₁约1μm、长D₁约1mm，第一绝缘膜3在第一金属膜2上，其厚度W₂约10μm；第二金属膜4在第一绝缘膜3上，其厚度W₃约1μm，第二绝缘膜5在第二金属膜4上，其厚度W₄约4μm；第三金属膜6在第二绝缘膜5上，其厚度W₅约1μm。在第一金属膜2上正中间薄膜12采用碳纳米管薄膜(或金刚石薄膜)作发射器，其宽度约2-10μm。其中第二金属膜4矩形沟道宽D₂比薄膜12约宽1μm，第三金属膜6矩形沟道宽D₃约40μm。间隔器7在第三金属膜6上，间隔器7高度W₆约800μm。在上基底9有两个阳极8，它通过绝缘膜22隔开，该绝缘膜22位于薄膜12正上方，宽度约2μm。为增大阳极电流，可使传感器长L远大于宽D₁。

参照附图3，E₁加在第二金属膜4上，使碳纳米管薄膜11(或金刚石薄膜)发射电子，电子在待测磁场下因洛伦兹力而发生偏转，E₂加在第三金属膜6上，使发散的电子聚焦，E₃加在阳极8上收集电子，读出两电流表的值，通过计算就能得出待测磁场的强度。

需要说明的是，本发明只能测出垂直传感器宽D₁的磁场强度，或倾斜于宽D₁的磁场在垂直于宽D₁方向上的磁场强度分量。因此，可将三个这样的传感器在空间中互相垂直集成在一起，通过矢量相加，就能得出待测的磁场强度。

Claims

1、一种场发射磁敏传感器，它包括下基底1、第一金属膜2、第一绝缘膜3、第二金属膜4、第二绝缘膜5、第三金属膜6、间隔器7、上基底9、阳极8、绝缘膜22，其特征是它还包括薄膜12，薄膜12位于第一金属膜2上正中间，作为场发射电子源；薄膜12可以采用碳纳米管薄膜，也可以采用或金刚石薄膜。