[发明专利]隧穿压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧穿压力传感器，属于MEMS技术领域，特别是一种基于石墨烯的隧穿压力传感器。

背景技术

MEMS压力传感器的应用非常广泛，现有MEMS压力传感器普遍采用硅薄膜，由于硅的物理性能有限，现有 MEMS压力传感器尺寸较大，灵敏度有限，只能达到微米尺度，在纳米领域难以得到广泛应用。这就有待于基于新原理，新效应的器件来突破微机电器件的极限。

由于传统电子材料的物理限制逐渐显现，研究人员渴望找到一些新材料来制备器件 ，因此探求具有特定性能的纳米材料制备电子器件成为热点。在纳米材料的研究过程中，碳的纳米结构材料一直备受关注。石墨烯是厚度为单层原子的新型碳材料，具有独特的电子结构和高迁移率载流子特性。石墨稀的价带和导带在六边形布里渊区的顶角处相交，是能隙为零的半导体，在顶角处附近的电子和空穴呈现线性色散关系，其运动方程与有效质量为零的费米子所满足的狄拉克方程相似。这种现象导致石墨烯出现量子霍尔效应、最小量子电导率、量子干涉效应等新奇的电学性质在微电子、表面处理以及催化等方面具有重要的应用前景。

近年来对于石墨烯体系的隧穿效应的理论和应用研究主要是在两个领域：一是提高隧穿电流的能力及其稳定性； 二是共振隧穿的物理过程。为了解决上述问题，中北大学李孟委等人曾经采用石墨烯/六方氮化硼等材料设计了一种采用单势垒双势阱系统的压力传感器。在上述技术中，采用单势垒双势阱系统作为敏感单元结构，只能在势垒上施加偏置电压V_b以产生隧道电流，无法达到有效控制势垒高度和附加透射系数的目的，因此,共振隧穿效应不明显。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种有利于提高稳定性和灵敏度的基于石墨烯的MEMS隧穿压力传感器。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种隧穿压力传感器，包括单元传感器、氧化硅基底，

单元传感器采用双势垒单势阱系统，势阱层夹在上部的第一势垒层和下部的第二势垒层中间；势阱层采用阱结构，由两端的六方氮化硼和夹在中间的Be离子掺杂氮化硼组成；第一势垒层和第二势垒层为石墨烯薄膜层并分别设有金属电极；氧化硅基底顶部长有六方氮化硼衬底，第一势垒层和第二势垒层长在六方氮化硼衬底上表面，氧化硅基底底部设硅电极；

单元传感器以N×N的方式排列于氧化硅基底表面；

在第一势垒层和第二势垒层之间施加偏置电压V_b=0.3-0.5V，在第二层势垒和硅电极之间施加栅极电压V_g=14-16V。

石墨烯在狄拉克点附近的线性色散关系使其具有零带隙，而以石墨烯作为功能材料的纳米器件却要求打开带隙。常见的解决方法有：改变量子尺寸、化学调控、构造多层结构和加外电场、调控石墨稀双层纳米结构量子尺寸等。由于氮化硼与石墨烯具有相匹配的晶格常数，本发明通过搭建石墨烯/氮化硼异质结构来调控石墨烯的电子结构，达到打开带隙的目的。异质双层结构之间有着强烈的电荷转移，双层异质结构的带隙和载流子的有效质量可以通过改变层间距离和堆操方式来调控。这种异质双层结构为调控石墨稀的电子特性提供了一种有效方法。

基于以上分析，本发明所述压力传感器的工作原理为：在压力作用下，石墨烯纳米带结构中的应力分布及变化规律发生变化，内建电场使得石墨烯纳米带结构中量子能级发生变化，量子能级变化从而引起共振隧穿电流变化，通过测量共振隧穿电流信号的变化，就可以间接得到一个压力力学信号。

势阱层采用子阱结构，以利于提高电流峰谷比，第一势垒层和第二势垒层上的金属电极，为发生隧穿效应提供隧穿电子。为了提高隧穿电流及其稳定性，本发明在第一势垒层和第二势垒层之间施加偏置电压V_b=0.3-0.5V，以产生稳定的隧道电流。在第二层势垒和氧化硅基底底部的硅电极之间施加栅极电压V_g=14-16V，以调整二层势垒的齐狄拉克点，从而达到有效控制势垒高度和附加透射系数的目的。通过测量共振隧穿电流信号的变化，就可以实现压力测量。

作为优选的方案，第一势垒层和第二势垒层的高度均设定为V₁=285meV。

作为优选的方案，第一势垒层与势阱层的有效接触部分是截面为半圆的柱体，半径设定为D₁=80nm; 第二势垒层与势阱层的有效接触部分是圆柱体， 半径设定为D₂=120nm。

作为优选的方案，势阱层的总厚度设定为12个原子层厚，半径设定为d=120nm，势阱层中三层子阱结构的厚度均匀分布。