专利名称：一种真空压强传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种真空压强传感器，具体涉及一种基于半导体纳米线垂直阵列的真空压强传感器。
背景技术：
真空压强传感器是真空科学研究与真空测试技术中的重要器件，广泛应用于真空镀膜、航空航天、生物科学实验和工业过程控制等领域。目前使用较多真空压强传感器主要为基于热散逸的皮拉尼压强传感器，然而这类传感器功耗大、不便于集成的特点使得它逐渐不适应于现代电路集成化的要求(Sens.Actuators, A 156 (2009) 201-207);场发射传感器由于其高的电压和大的功耗的要求而受到限制(Vacuum 84 (2009) 713-717);基于MEMS技术的真空压强传感器虽然解决了上述问题，但是由于其复杂的结构和繁琐的工艺流程而使得成本提高(Sens.Actuators, A 135 (2007) 507-514)。因此，制备新的更有效的真空压强传感器是现代传感技术向更微小化、更集成化发展的要求。低维纳米结构半导体金属氧化物，尤其是ZnO半导体纳米结构，其优越的光学、力学、电学和气敏特性使其在电子学、光电子学和微纳电子中具有潜在的应用价值，因而受到广泛的关注(Chem.Phys.Lett.357 (2002) 314-318)。将低维纳米结构的半导体材料应用于真空压强传感器，有可能获得具有良好的传感性能。2004年，李等人报道了 ZnO纳米线对氧压强具有敏感性能(Appl.Phys.Lett.84 (2004) 4556-4558)，在此基础上，郑等人报道了一种基于ZnO纳米带膜的真空压强传感器(Nanotechnology 22 (2011) 435501)。但是，这类传感器响应电流小，不易应用于实际测量电路。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种ZnO纳米线阵列真空压强传感器，其利用了半导体纳米线阵列对大气中的氧分子的吸附作用，实现对真空压强的测量，同时，ZnO纳米线阵列由于其大的比表面积而具有良好的传感性能，相比起传统的的真空压强传感器，拥有宽的测量范围宽度、大的响应电流、高灵敏度。为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案:一种基于半导体纳米线垂直阵列的真空压强传感器，包括:一片基底；一层半导体薄膜；一个半导体纳米线阵列；以及两片电极，其中，半导体薄膜粘合在所述基底上，半导体纳米线阵列贯穿半导体薄膜垂直粘合在基底上，两片电极固定于半导体纳米线阵列顶部。进一步，本发明的真空压强传感器，还可以具有这样的特征:
基底为蓝宝石基底。进一步，本发明的真空压强传感器，还可以具有这样的特征:半导体薄膜为ZnO薄膜。进一步，本发明的真空压强传感器，还可以具有这样的特征:半导体纳米线阵列组成为ZnO纳米线。另外，本发明的真空压强传感器，还可以具有这样的特征:两片电极为Au电极。发明的作用与效果根据本发明涉及的真空压强传感器，以ZnO纳米线阵列作为敏感材料，通过微电子工艺在其顶端制作电极，纳米线阵列作为敏感材料，感应外部大气压强的变化，引起内部响应电流的变化，通过外部设备对电路中电流的监控，实现对真空压强的测量。由于ZnO具有的高比表面积，本发明的真空压强传感器所产生的响应电流比基于半导体纳米带膜的传感器提高了三个数量级，电阻降低了三个数量级，输出电流大，测量范围宽，灵敏度高。
图1为本发明的真空压强传感器的结构示意图；图2为本发明的真空压强传感器的测试装置图；图3为实施例中真空压强传感器在不同真空压强条件下的伏安特性曲线；图4为实施例中真空压强传感器的电阻随压强变化曲线；图5为实施例中真空压强传感器的功耗随压强变化曲线；图6为实施例中真空压强传感器的电流对时间的响应曲线。
具体实施例方式下面结合附图在实施例中对本发明的真空压强传感器进行详细阐述。图1为真空传感器的结构示意图。如图1所示，本实施例的真空压强传感器，包括:一片尺寸为3mmX 3mm的蓝宝石基底I, 一层ZnO半导体薄膜2, —个ZnO半导体纳米线阵列3，以及两片Au电极4。其中，ZnO半导体薄膜2粘合在基底I上，ZnO半导体纳米线阵列3贯穿半导体薄膜2垂直粘合在基底I上，两片Au电极4固定于半导体纳米线阵列3顶部。ZnO纳米线的长度为3 5 μ m,直径为lOOnm，密度为20根/ μ m2，Au电极的面积为0.1mm20其制备过程如下:第一步，以1:1比例均匀混合的半导体粉末和碳粉为原料，采用化学气相沉积(CVD)方法在蓝宝石基底上同时生长ZnO半导体纳米线垂直阵列和一层ZnO半导体薄膜，最终Zn0半导体薄膜和Zn0半导体纳米线都粘合在蓝宝石基底上。第二步，利用匀浆机将PMMA作为有机填充物均匀填充至半导体纳米线垂直阵列中。第三步，通过氧离子刻蚀方法刻蚀掉部分PMMA，使ZnO半导体纳米线垂直阵列顶部露出。第四步，通过掩膜和电子束蒸发方法，将两片Au电极粘合在半导体纳米线垂直阵列顶端，与ZnO纳米线阵列直接接触。第五步，将丙酮和四氢呋喃这两种挥发性有机溶剂溶解填充在半导体纳米线阵列间的剩余PMMA，最终得到基于ZnO半导体纳米线阵列的真空压强传感器。图2是真空压强传感器8的测试装置图。如图2所示，真空压强传感器8置于真空腔5内；两个探针7与传感器8上的两个Au电极相连接，并通过真空腔5内的螺旋控制器6与连接到外部的导线13相连接，导线13连接到半导体参数测试仪11上，半导体参数测试仪11用于测试真空压强传感器8的伏安特性和时间响应特性；分子泵9连接到真空腔5上，其用来调节真空腔5内的压强，分子泵9上的真空计10同步显示真空腔5内压强的大小，分子泵9与真空腔5之间有阀门12。启动分子泵9降低真空腔5内压强的同时，利用半导体参数测试仪11测试真空压强传感器8的伏安特性和时间响应特性。图3是真空压强传感器在不同真空压强条件下的伏安特性曲线。利用分子泵设定不同的真空压强，在不同压强下采用半导体参数测试仪测得ZnO纳米线阵列真空压强传感器的伏安特性和时间响应特性。在某一压强下，若随着电压的增力口，半导体参数测试仪测得电流线性增加，则表明真空传感器传感器具有阻尼性。如图3 所示，在电压为 IOV 时，分别在 1.0XlO3U.1 X 10'2.0 X 10_2、8.0 X 10_4、
5.0X IO-5 mbar的压强下测得真空压强传感器的伏安特性曲线。从图中可以看出，随着压强的降低，真空压强传感器的响应电流增加，在LOXlO3U.1 X 10'2.0X 10_2、8.0X 10_4、
5.0X Kr5 mbar的压强下电流分别为18.4,41.5,57.8、107和259 μ Α,比ZnO纳米带膜的真空压强传感器高3个数量级。同时，ZnO纳米线阵列的真空压强传感器的测量范围为l(TlO-5mbar，比传统的皮拉尼、场发射、MEMS真空传感器至少宽一个数量级。并且，已知灵敏度公式S= (Iv-1a)/Ia (其中，Iv为真空压强下的响应电流，Ia为标准大气压下的响应电流)，根据ZnO纳米线阵列的真空压强传感器的IOV电压下的电流，可以得到本实施例的真空压强传感器在1.1XIO'2.0X10_2、8.0X10_4、5.0X10_5 mbar的压强下的灵敏度分别为1.26,2.19,4.82和13.08。图4是真空压强传感器的电阻随压强变化曲线。如图4 所示，在电压为 IOV 时，在 1.0XlO3U.1 X 10'2.0 X 10_2、8.0 X 10_4、
5.0X IO-5 mbar的压强下，ZnO纳米线阵列的真空压强传感器的电阻分别为543、241、173、93.5、38.6ΚΩ，比ZnO纳米带膜的真空压强传感器低3个数量级。图5是真空压强传感器的功耗随压强变化曲线。如图5 所示，在电压为 IOV 时，在 1.0XlO3U.1 X 10'2.0 X 10_2、8.0 X 10_4、
5.0X IO-5 mbar的压强下，ZnO纳米线阵列的真空压强传感器的功耗分别为0.18、0.42、0.58、1.07和2.59 mW，远低于基于场发射、热散逸和MEMS的真空压强传感器。图6是真空压强传感器的电流对时间的响应曲线。如图6所示，经过在标准大气压强下60s的稳定时间后，启动分子泵降低大气压强，180s后压强降至5X10_2 mbar，随即停止分子泵保持压强稳定100s，然后打开阀门，使真空泵内的压强约在20s内恢复至标准大气压强，继续保持标准大气压180s。从图中可以看出，随着压强的降低，电流不断增大；当压强升高时，电流随即下降。标准大气压下，电流为最低，约为19 μ A,压强最低为5X10_2 mbar时，电流为最高,约为37 μ A。当压强降低时，电流随之增大，电流上升时间为180s，等于压强变化的时间，这是由于分子泵降低压强是一个缓慢的过程，电流的变化能够跟上压强的变化；当压强上升时，电流随之减小，电流下降的时间为110s，大于压强变化时间20s，这是由于压强变化足够快，电流的变化跟不上压强的变化，其迟滞时间为90s。按照前一个循环的变化，进行了第二个循环的测试，结果发现第二个循环的结果和第一个几乎完全一样，表明本实施例的真空压强传感器具有良好的可重复性。实施例的作用与效果根据本实施例涉及的基于ZnO纳米线阵列的真空压强传感器，其通过采用ZnO半导体纳米线垂直阵列作为敏感材料，电流比基于半导体纳米带膜的传感器提高三个数量级，电阻降低三个数量级，具有宽量程、高灵敏度和低功耗的特点。该类传感器基于纳米材料制备，更加便于器件的微型化和集成化，在在高微型化、高集成度的微电子传感器中具有广泛的应用。
权利要求
1.一种基于半导体纳米线垂直阵列的真空压强传感器，其特征在于，包括:一片基底;一层半导体薄膜；一个半导体纳米线阵列；以及两片电极，其中，所述半导体薄膜粘合在所述基底上，所述半导体纳米线阵列贯穿所述半导体薄膜垂直粘合在所述基底上，所述两片电极固定于所述半导体纳米线阵列顶部。
2.如权利要求1所述的真空压强传感器，其特征在于:所述基底为蓝宝石基底。
3.如权利要求1所述的真空压强传感器，其特征在于:所述半导体薄膜为ZnO薄膜。
4.如权利要求1所述的真空压强传感器，其特征在于:所述半导体纳米线阵列组成为ZnO纳米线。
5.如权利要求1所述的真空压强传感器，其特征在于:所述两片电极为Au电极。
全文摘要
一种真空压强传感器，包括 一片基底；一层半导体薄膜；一个半导体纳米线阵列；以及两片电极，其中，所述半导体薄膜粘合在所述基底上，所述半导体纳米线阵列贯穿所述半导体薄膜垂直粘合在所述基底上，所述两片电极固定于所述半导体纳米线阵列顶部。
文档编号G01L21/00GK103207046SQ20131010626
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者郑学军, 王现英, 程宏斌, 谢澍梵 申请人:上海理工大学