專利名稱：一種基于石墨烯片層的納機(jī)電諧振式傳感器及其制作方法
一種基于石墨烯片層的納機(jī)電諧振式傳感器及其制作方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)應(yīng)用領(lǐng)域，特指一種用于超小質(zhì)量檢測的納機(jī)電諧振式傳感器及其制作方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于機(jī)械電子式諧振器而言，系統(tǒng)的固有頻率(Λ =)隨剛度影響系數(shù)A的增大而增大，隨有效質(zhì)量的減小而增大。提高諧振頻率的方法主要是通過降低系統(tǒng)的質(zhì)量和提高彈性剛度，而彈性剛度與梁的楊氏模量萬成正比。石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的具有二維結(jié)構(gòu)的材料，其單層厚度只有0.35 nm，楊氏模量 .OGPa ,有效質(zhì)量 eff極小，符合提高諧振頻率的要求。
已有的納機(jī)電諧振式傳感器基本上是基于硅材料制備的，其制作方法是在單晶硅懸臂梁上摻雜形成電阻層，利用懸臂梁振動(dòng)時(shí)受力變化引起電阻層阻值的改變的原理來確定諧振頻率。這種方法制備的單晶硅摻雜電阻變化小，適用于對(duì)靈敏度低、測試精度要求不高的場合。
目前的石墨烯片納機(jī)電諧振式傳感器一般采用背柵結(jié)構(gòu)，其制備方法是將石墨烯片懸置在Si/Si02上的溝槽上，Si襯底作為柵極，石墨烯作為溝道。目前，石墨烯片納機(jī)電諧振式傳感器的激勵(lì)和檢測方法有兩種一種是光學(xué)激勵(lì)與光杠桿檢測，另一種是靜電激厲力與電學(xué)檢須Ij°文獻(xiàn)[Bunch JS ,et al. Electromechanical resonators from graphene sheets, Science, 2007, 315:490]采用光學(xué)激勵(lì)與光杠桿檢測的方法對(duì)石墨烯片諧振器進(jìn)行了研究，但這種方法光路設(shè)計(jì)復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中很難得到推廣。文獻(xiàn)[Chen C, et al. Performance of monolayer grapheme nanomechanical resonators with electrical readout. Nature Nano techno logy, 2009,4,861-867]提到的石墨烯片諧振器存在低通濾波現(xiàn)象，測試時(shí)需對(duì)外部電路進(jìn)行混頻設(shè)計(jì)，電路復(fù)雜。此外，懸置的石墨烯片基本上是采用機(jī)械剝離獲得的，該方法產(chǎn)量低、隨機(jī)性大，不利于大規(guī)模、批量化生產(chǎn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，在不影響檢測精度的前提下，極大地降低檢測電路的復(fù)雜程度而提供一種具有質(zhì)量小、功耗低、靈敏度高和成本低的基于石墨烯片層的納機(jī)電諧振式傳感器，本發(fā)明同時(shí)還提供該納機(jī)電諧振式傳感器的制作方法。
本發(fā)明基于石墨烯片層的納機(jī)電諧振式傳感器采用的技術(shù)方案是；具有一塊 P-Si襯底，P-Si襯底上連接背柵電極，P-Si襯底上設(shè)有漏極-N型摻雜區(qū)和源極-N型摻雜區(qū)，漏極-N型摻雜區(qū)上設(shè)有漏極電極，源極-N型摻雜區(qū)上設(shè)有源極電極，在P-Si襯底表面上且位于漏極-N型摻雜區(qū)和源極-N型摻雜區(qū)的正中間安置兩個(gè)SW2錨區(qū)，石墨烯兩端固支梁的兩端分別懸于兩個(gè)SW2錨區(qū)上，石墨烯兩端固支梁的一端上設(shè)置一個(gè)與其相連接的頂柵電極。
上述基于石墨烯片層的納機(jī)電諧振式傳感器的制作方法的技術(shù)方案是采用如下步驟；①在P-Si襯底上熱氧化生長300 nm的SW2 ；②在SW2上淀積石墨烯片層。裁剪石墨烯，光刻和刻掉石墨烯下的Sio2，形成兩個(gè)Sio2錨區(qū)；孓用離子注入法在P-^d 底中形成漏極-N型摻雜區(qū)和源極-N型摻雜區(qū)，使得漏極-N型摻雜區(qū)和源極-N型摻雜區(qū)分別位于兩個(gè)SiOjg區(qū)兩側(cè)；⑤在P-Si襯底上分別濺射背柵電極、漏極電極和源極電極，并在石墨烯上濺射頂柵電極；⑥通過緩沖氧化物刻蝕劑對(duì)3102刻蝕，形成懸置的石墨烯兩端固支梁。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案具有的有益效果是1、本發(fā)明采用性能優(yōu)異、成本低的石墨烯材料來制作超小質(zhì)量檢測的納機(jī)電諧振器兩端固支梁，將石墨烯兩端固支梁和場效應(yīng)有機(jī)地結(jié)合起來，利用梁的振動(dòng)引起電場的變化來確定諧振器的諧振頻率。2、帶有內(nèi)部自放大功能，能將微弱的諧振信號(hào)直接放大成可用于檢測的電壓信號(hào)，避免了外接有源電路，使電路簡化。3、頂柵電極和漏源電極不在同一平面內(nèi)，消除了由于寄生電容引起的低通濾波現(xiàn)象。4、石墨烯材料采用化學(xué)汽相沉積法(CVD)制備，所得到的石墨烯片面積大、質(zhì)量高、可控性強(qiáng)。5、采用與CMOS兼容的表面微機(jī)械技工方法，具有質(zhì)量小、功耗低、靈敏度高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于超小質(zhì)量的化學(xué)物質(zhì)檢測。


圖1是本發(fā)明基于石墨烯片層的納機(jī)電諧振式傳感器的結(jié)構(gòu)圖，圖Ia是主視圖； 圖Ib是圖Ia的左視圖；圖2是圖1中的納機(jī)電諧振式傳感器的制作流程圖，依次按圖2 a 圖加的順序制作；圖3是圖1中納機(jī)電諧振式傳感器的工作原理圖；1. P-Si襯底；2.與P-Si襯底相連接的背柵電極；3.漏極-N型摻雜區(qū)；4.漏極電極； 5. SiO2錨區(qū)；6.頂柵電極；7.源極電極；8.源極-N型摻雜區(qū)；9.石墨烯兩端固支梁；10. P 型襯底中的反型層。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明基于石墨烯片層的納機(jī)電諧振式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。具有一塊雜質(zhì)濃度較低的P型硅片作為襯底，即P-Si襯底1，在P-Si襯底1上設(shè)有兩個(gè)N+區(qū)，即漏極-N 型摻雜區(qū)3和源極-N型摻雜區(qū)8，在P-Si襯底1表面上，并且位于漏極-N型摻雜區(qū)3和源極-N型摻雜區(qū)8的正中間安置兩個(gè)SW2錨區(qū)5，在兩個(gè)SW2錨區(qū)5上是一個(gè)石墨烯兩端固支梁9，石墨烯兩端固支梁9的兩端分別懸在兩個(gè)SiO2錨區(qū)5上，在石墨烯兩端固支梁 9的一端上設(shè)置一個(gè)與石墨烯兩端固支梁9相連接的頂柵電極6。漏極電極4和源極電極 7分別位于漏極-N型摻雜區(qū)3和源極-N型摻雜區(qū)8上，背柵電極2直接連接在P-Si襯底 1上。這種結(jié)構(gòu)的納機(jī)電諧振式傳感器具有雙柵極結(jié)構(gòu)，以石墨烯作為頂柵，以P-Si襯底1 作為背柵，頂柵石墨烯還兼作諧振梁。
參見圖2，圖1所示的納機(jī)電諧振式傳感器按以下方法制作①在雜質(zhì)濃度較低的P-Si襯底1上，熱氧化生長300 nm的SiO2,圖加。
通過化學(xué)汽相沉積法(CVD)，在SW2上淀積石墨烯片層，圖2b。4
③用氧等離子刻蝕技術(shù)裁剪石墨烯，用光刻和刻蝕技術(shù)去掉石墨烯下與石墨烯不重疊的SiO2,形成兩個(gè)SiA錨區(qū)5，圖2c。
m用離子注入法在P-Si襯底1中形成兩個(gè)高摻雜的漏極-N型摻雜區(qū)3和源極-N 型摻雜區(qū)8，使得漏極-N型摻雜區(qū)3和源極-N型摻雜區(qū)8分別位于兩個(gè)SiO2錨區(qū)5兩側(cè)， 圖2d。
⑤在P-Si襯底1上分別濺射TiW- 5 nm /Au- 100 nm電極，即與P-Si襯底相連接的背柵電極2、漏極電極4和源極電極7，并在石墨烯上濺射頂柵電極6，圖2e。
⑥通過緩沖氧化物刻蝕劑(Buffered oxide etch，B0E)對(duì)SiO2進(jìn)行刻蝕，形成懸置的石墨烯兩端固支梁9，最后，用臨界點(diǎn)干燥機(jī)(Critical Point Dryer，CPD)把整個(gè)器件從液態(tài)的環(huán)境中轉(zhuǎn)移到空氣中，最終形成如圖1所示的納機(jī)電諧振式傳感器。
圖3為本發(fā)明納機(jī)電諧振式傳感器的工作原理圖。在靜態(tài)狀態(tài)下，即交流電壓δ Vg =0，由于石墨烯為零帶隙材料，表現(xiàn)為金屬性。半導(dǎo)體硅在摻雜的情況下，其導(dǎo)電性顯著增強(qiáng)，也表現(xiàn)為金屬性。在與P-Si襯底1相連接的背柵電極2和頂柵電極6之間加直流電壓 ^，則石墨烯兩端固支梁9和p-Si襯底(1)就構(gòu)成電容的兩極，在兩極之間形成電場。該電場排斥P-Si襯底1內(nèi)的多子空穴，同時(shí)吸引其中的少子電子，使電子向上表面運(yùn)動(dòng)，空穴向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)直流電壓&增大到一定數(shù)值后，在p-Si襯底1上表面形成一個(gè)由少子電子組成的N型薄層，這里，該薄層被稱為p-Si襯底中的反型層10。當(dāng)直流電壓&達(dá)到門檻電壓& αω后，Ks越大，電場越強(qiáng)，P-Si襯底中的反型層10越厚，漏極-N型摻雜區(qū)3和源極-N型摻雜區(qū)8間的電阻就越小。當(dāng)在漏極-N型摻雜區(qū)3、源極-N型摻雜區(qū)8上的漏極電極4、源極電極7上加電壓Kds時(shí)，將形成電流Jds。
在至少有個(gè)電容器平板是懸吊或可變形的情況下，電容器可以用作產(chǎn)生力或位移的執(zhí)行器。本發(fā)明中的石墨烯兩端固支梁9滿足這一要求，在石墨烯兩端固支梁9和p-Si 襯底1構(gòu)成的電容的兩極上施加電壓&后，石墨烯兩端固支梁9將在靜電力作用下發(fā)生彎曲，從而使石墨烯兩端固支梁9和p-Si襯底1之間的距離χ發(fā)生變化。
在動(dòng)態(tài)情況下，即在背柵電極2和頂柵電極6之間施加頻率為f的交流電壓< 、，漏極電極4、源極電極7之間施加直流電壓Kds，石墨烯兩端固支梁9和p-Si襯底1之間的靜電力將以相同的頻率/變化，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)石墨烯兩端固支梁9以相同的頻率/振動(dòng)。墨烯兩端固支梁9周期性振動(dòng)，使得石墨烯片與p-Si襯底1間的電場A周期性變化，反型層10 的厚度也出現(xiàn)周期性變化，最終使得通過反型層10的電流Jds以頻率/周期性變化。
當(dāng)交流電壓巧變化頻率f與石墨烯兩端固支梁9的固有振動(dòng)頻率&相同時(shí)，石墨烯兩端固支梁9發(fā)生諧振，在此情況下，其振幅Δχ將達(dá)到最大。從而電場A的變化幅度巉最大。進(jìn)而，電流Zds的變化幅度4達(dá)到最大。從而確定了傳感器的諧振頻率&。這種方法使得微小的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成可觀測的電流信號(hào)，具有內(nèi)部自放大功能。
當(dāng)石墨烯上吸附質(zhì)量超小的化學(xué)物質(zhì)時(shí)，諧振頻率&將發(fā)生變化。通過測量頻率的變化值A(chǔ)f可間接知道化學(xué)物質(zhì)的質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種基于石墨烯片層的納機(jī)電諧振式傳感器，具有一塊P-Si襯底(1)，P-Si襯底 (1)上連接背柵電極(2)，其特征是；P-Si襯底(1)上設(shè)有漏極-N型摻雜區(qū)(3)和源極-N 型摻雜區(qū)(8)，漏極-N型摻雜區(qū)(3)上設(shè)有漏極電極(4)，源極-N型摻雜區(qū)(8)上設(shè)有源極電極(7)，在P-Si襯底(1)表面上且位于漏極-N型摻雜區(qū)(3)和源極-N型摻雜區(qū)(8)的正中間安置兩個(gè)SiO2錨區(qū)(5)，石墨烯兩端固支梁(9)的兩端分別懸于兩個(gè)SiO2錨區(qū)(5)上， 石墨烯兩端固支梁(9 )的一端上設(shè)置一個(gè)與其相連接的頂柵電極(6 )。
2.—種權(quán)利要求1所述基于石墨烯片層的納機(jī)電諧振式傳感器的制作方法，其特征是采用如下步驟；①在P-Si襯底(1)上熱氧化生長300nm的SW2 ；②在SW2上淀積石墨烯片層；③裁剪石墨烯，光刻和刻掉石墨烯下的SiO2，形成兩個(gè)SiO2錨區(qū)(5)；④用離子注入法在P-Si襯底(1)中形成漏極-N型摻雜區(qū)(3)和源極-N型摻雜區(qū)(8)， 使得漏極-N型摻雜區(qū)(3)和源極-N型摻雜區(qū)(8)分別位于兩個(gè)SW2錨區(qū)(5)兩側(cè)；⑤在P-Si襯底(1)上分別濺射背柵電極(2)、漏極電極(4)和源極電極(7)，并在石墨烯上濺射頂柵電極(6);Φ通過緩沖氧化物刻蝕劑對(duì)S^2刻蝕，形成懸置的石墨烯兩端固支梁(9)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于石墨烯片層的納機(jī)電諧振式傳感器及其制作方法，P-Si襯底上設(shè)有漏極-N型摻雜區(qū)和源極-N型摻雜區(qū)，漏極-N型摻雜區(qū)上設(shè)有漏極電極，源極-N型摻雜區(qū)上設(shè)有源極電極，在P-Si襯底表面上且位于漏極-N型摻雜區(qū)和源極-N型摻雜區(qū)的正中間安置兩個(gè)SiO2錨區(qū)，石墨烯兩端固支梁的兩端分別懸于兩個(gè)SiO2錨區(qū)上，石墨烯兩端固支梁的一端上設(shè)置一個(gè)與其相連接的頂柵電極；利用梁的振動(dòng)引起電場的變化來確定627諧振器的諧振頻率，能將微弱的諧振信號(hào)直接放大成可用于檢測的電壓信號(hào)，避免了外接有源電路，使電路簡化，能消除了由于寄生電容引起的低通濾波現(xiàn)象，尤其適用于超小質(zhì)量的化學(xué)物質(zhì)檢測。
文檔編號(hào)G01H11/06GK102538949SQ20111041377
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者張艷敏, 張進(jìn), 楊曉丹, 王權(quán), 胡然, 邵盈 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)