[实用新型]一种定量测试力电性能与显微结构的传感器

说明书

技术领域：

本实用新型涉及一种定量测试低维纳米材料原位力电性能与显微结构测量的传感器，更具体的是一种应力作用下原位动态的低维纳米材料显微结构-力电性能相关性定量化测量的传感器。

背景技术：

低维纳米材料作为器件的基本结构单元，承载着信息传输，存储等重要功能。在半导体及信息工业中应用到的低维纳米材料，在应力场的作用下，研究低维纳米材料的显微结构变化，以及显微结构变化之后，对器件单元内低维纳米材料力学性能和电荷输运性能等的影响，这对器件中各个单元的功能、效率、存储密度等实际应用具有非常重要的意义。

在纳米科学和技术领域透射电子显微镜是最为有力的研究工具之一，透射电子显微镜的样品杆是用来支撑被检测样品的。目前，对透射电镜的利用局限于静态地观测样品，只能得到低维纳米材料显微结构信息。

而在扫描电子显微镜中，虽然能原位地对低维纳米材料进行变形和通电测量，但是由于分辨率等的限制，不能得到低维纳米材料显微结构方面的信息，难以做到在应力作用下对低维纳米材料显微结构与力电性能相关性进行原位地综合测量。

近年来，悬臂梁技术被广泛地应用于生物、物理、化学、材料、微电子等研究领域。这种在硅基材料上通过光刻、刻蚀等工艺制作出的悬臂梁传感器，尽管可以达到非常高的灵敏度，而且信噪比非常低，但由于器件自身体积较大以及包含复杂的光学测量系统，很难将传感器集成到透射电镜中用于显微结构的实时观察。所以，用于透射电镜中低维纳米材料力电性能开发的很少，至于对低维纳米材料显微结构与力电性能相关性的研究更是稀少。

实用新型内容：

针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种在透射电子显微镜中应力作用下原位测量低维纳米材料显微结构与力电性能相关性的传感器及其制作方法。本实用新型能实时记录下低维纳米材料显微结构原子尺度的变化过程，同时能测量得到低维纳米材料的应力应变曲线和对应的电流电压曲线。

定量测试力电性能与显微结构的传感器，其特征在于：一个中空的结构，该结构自下而上由阻挡层、硅衬底、外延层α和绝缘层组成；该结构中间部分的阻挡层和部分硅衬底被刻蚀，剩余的周边部分包括阻挡层、硅衬底、外延层α和绝缘层四层，称为基础部分；

中间部分继续被刻蚀穿形成压敏电阻悬臂梁和悬空结构；传感器的基础部分上表面向下刻蚀出一个用于放置双金属片的凹槽，凹槽内放置双金属片后，双金属片的上表面与压敏电阻悬臂梁和悬空结构的上表面处于同一水平面上；

所述的悬空结构，位于两个压敏电阻悬臂梁之间，悬空结构与其中一个压敏电阻悬臂梁不接触，悬空结构的一条边与这个悬臂梁的边缘平行，且悬空结构的这条边上有一个突出来的部分，突出部分与双金属片不接触；悬空结构的另一条边与另一个压敏电阻悬臂梁接触。悬空结构通过两侧的支撑梁连接在基础部分上。

所述的悬臂梁和基础部分的上方有两个惠斯通电桥电路；

所述的每个惠斯通电桥电路，由四个完全相同的压敏电阻组成，位于外延层α和绝缘层之间。其中两个压敏电阻位于基础部分，作为阻值固定的电阻；另外两个压敏电阻位于悬臂梁上方，作为阻值可变的电阻。

当施加电流在双金属片上的电阻时，电阻产生热量，热量传递到双金属片上，双金属片受热向热膨胀系数小的部分弯曲，驱动悬空结构运动，悬空结构运动时推动其中一个压敏电阻悬臂梁产生弯曲变形，同时拉动低维纳米材料产生拉伸变形，低维纳米材料再带动另一个压敏电阻悬臂梁产生弯曲变形。位于压敏电阻悬臂梁上方的压敏电阻发生变形，产生电阻值的变化，通过惠斯通电桥电路转化为输出电信号大小的变化，再转换成压敏电阻悬臂梁受力大小的变化，即为低维纳米材料所受应力大小的变化。再通过两个压敏电阻悬臂梁输出电信号变化的差异，得到低维纳米材料应变量大小的变化，从而原位实时地获得低维纳米材料的应力-应变(σ-ε)曲线。

由于低维纳米材料的两端由电极引出，同时测量低维纳米材料上的电信号变化，则可以实时地获得相应应变量下的电流-电压(I-V)曲线，即能实现定量化研究低维纳米材料的力电性能及其与显微结构的相关性。

同时，压敏电阻悬臂梁和悬空结构之间存在间隙，电子束能穿透低维纳米材料成像，将低维纳米材料的带轴转正到低指数带轴下，原子尺度下原位测量在低维纳米材料相应应变量下的显微结构演化，通过高分辨原位成像系统记录整个变化过程。

本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型对低维纳米材料力电性能测试传感器进行了独特的结构设计，可以在原子点阵分辨率下，原位地定量化测试应力作用下低维纳米材料的显微结构与力电性能的相关性。