[发明专利]基于金属纳米间隙的纳米应力传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米应力传感器，且特别是有关于一种基于金属纳米间隙的纳米应力传感器及其制备方法。

背景技术

应力/应变传感器是商用传感器的一个大类。它的应用范围十分广泛，其主要应用于商业衡器产业及工业测量及控制领域。这类传感器机理也十分丰富，包括电磁力式、光电式、液压式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等等多种。比如大量的发明专利都介绍利用光纤光栅，检测局部微小的光学变化集合分布式传感检测微区应力，这类传感器往往包含比较复杂的光学测量系统，成本较高，测量过程操作较繁琐。在众多工业场合，基于电阻变化的应力/应变传感器被普遍采用，这类传感器测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，其信号处理方便，而且易于集成，所以在数字化的仪器仪表领域具有广阔的应用前景。

传统的电阻式应力/应变传感器工作原理是基于应变效应制作的，其传感的载体材料即金属或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，也即ΔR=ΔρL/S，其中ΔR和Δρ分别为电阻和电阻率的改变量，L是导体的长度，S是导体的截面积。这种传感器往往灵敏度较低，测量精度非常有限，具有一定的响应延迟，体积较大，无法实现器件的微型化，不能满足测量微小区域应力/应变的需要。这样的电阻式应力/应变传感器灵敏度系数K=1+2μ+(Δρ/ρ)/(ΔL/L)，其中μ为材料的泊松比，Δρ/ρ为材料电阻率的相对变化率，ΔL/L为材料长度的相对变化率。电阻改变一般与应变成线性关系，即使考虑非线性效应，幂指数也不超过四次。所以，提高作为传感器信号的电阻改变，或者说提高灵敏度系数K值的关键在于采用更为灵敏的传感材料，并使得应变发生在所有传感的电阻区间。近年来，基于纳米结构的电阻式传感器也受到了广泛的关注。由于采用纳米材料，相对于较大的电阻式传感器，更容易保证全部灵敏区的形变，所以电阻变化更为灵敏。另一方面，纳米结构的敏感区更小，所以可以使器件微型化，易于集成。目前，已有多类技术已经被用于基于纳米结构的电阻式应力传感。比如公开号为CN101397121A、CN 101487148A、CN 101837943A和授权号CN202453128U等报道的应力/应变传感器，他们都采用纳米材料作为敏感介质并且制作方法都涉及微纳加工技术。纳米电阻式传感器已经逐渐成为了当前国内外纳米传感器研究和应用专利开发的主流。

与以上利用材料本身的电阻进行传感不同，利用金属（或半导体）之间的间隙也可以进行类似的电阻式传感。其主要物理机制在于隧穿效应：电子可以穿越一个很小的间隙到达另外一端金属区，其隧穿电流I与间隙的大小（图1(a)中的d）的关系为I∝e^-kd，其中，k为常数，d为隧穿间隙。也即：极为微小的间距改变将引起电流指数型的衰减（参见Reviews of Modern Physics,79(2007469-519).；Chemical Reviews,108(2008)4072-4124）。但是，也正由于这非常灵敏的指数变化的关系，导致间隙稍大，甚至只要大于10nm以后，电流就变得非常微小很难测量了。所以，利用间隙传感的必要条件之一就是要可控实现几个纳米甚至更小的间隙，并铺设电极对其电流进行有效测量。自从上个世纪80年代隧穿效应被实验确认以来，人们认为，如此细小间隙的可控实现和电极铺设非常困难，而且这一尺寸内的应力变化其工业价值也不高。即使目前，最先进的电子束光刻机也只能实现大于10nm的理想刻线精度，所以利用微小间隙进行应力/应变传感的研究一直进展缓慢。

发明内容

本发明目的在于提供一种高灵敏度、响应速度快、易于小型化和微型化、稳定性高的基于金属纳米间隙的纳米应力传感器及其制备方法。

为达上述目的，本发明提出一种基于金属纳米间隙的纳米应力传感器，包括：由绝缘材料制成的基片和设置于基片上的一对金属薄膜电极，所述金属薄膜电极上引出导线，连接到外部的测量电表，且所述金属薄膜电极之间构造可以形成导电路径的金属纳米结构，金属纳米结构中包含至少一个纳米间隙。

进一步，其中至少一个纳米间隙为孤立间隙、或串联/并联的一组间隙组合或阵列。

进一步，其中所述基片为带绝缘层的硅片或柔软的PET绝缘基片。

进一步，其中所述电极间隙的宽度大于0.1nm并且小于10nm。

进一步，其中所述金属纳米结构（3）中隧穿输运是主要的导电形式。

为达上述目的，本发明另提出一种基于金属纳米间隙的纳米应力传感器的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：