專利名稱：基于約瑟夫遜效應的壓阻式力敏器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于約瑟夫遜效應的壓阻式カ敏器件，屬微機械電子技術領域。
背景技術：
壓阻式傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應實現(xiàn)的。當力作用于硅晶體吋，晶體的晶格產生變形，使載流子從ー個能級向另一個能級散射，引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化。由于壓阻的變化量與應變成正比，因此壓阻一般布置在柔性結構表面上，以獲得更大的變形。由于壓阻阻值的變化很小，因此需要額外電橋電路來測量電阻的微小相對變化。據(jù)文獻顯示，傳統(tǒng)上用外電路檢測硅壓阻效應能夠分辨的電壓為微伏級，而且硅壓阻傳感器往往是通過降低抗過載能力以提高器件靈敏度的，所以高靈敏度伴隨著量程小、帶寬窄的缺點。約瑟夫遜效應是電子對通過兩塊超導金屬間的薄絕緣層(厚度約10)時發(fā)生的量 子力學隧道效應。ー個約瑟夫遜結由兩塊超導體中間夾ー層薄的絕緣層就形成了，絕緣層在Inm量級以保證量子效應顯著。絕緣層內的電勢比超導體中的電勢低得多，對電子的運動形成“勢壘”。超導體中的電子的能量不足以使它通過這勢壘，所以宏觀上不能有電流通過。但量子力學原理指出，即使對于相當高的勢壘，能量較小的電子也能有一定的概率透射，當“勢壘”寬度逐漸減小吋，這種透射的概率將隨之増大，在Inm量級，這種透射的概率已經很可觀了。這種電子對通過超導的約瑟夫遜結中勢壘隧道而形成超導電流的現(xiàn)象叫超導隧道效應，也叫約瑟夫遜效應。為了解決傳統(tǒng)傳感器檢測靈敏度低、帶寬窄、小量程等問題，本發(fā)明采用了把約瑟夫遜結和壓阻器件的集成的結構和方法，來提高微尺度下壓阻式器件的檢測靈敏度，實現(xiàn)寬帶寬、大量程、高過載、高靈敏度的性能。

發(fā)明內容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的就是針對背景技術的不足，發(fā)明了一種基于約瑟夫遜效應的壓阻式カ敏器件，來提高微尺寸下壓阻式器件的檢測靈敏度，實現(xiàn)在保證超靈敏度檢測的前提下來實現(xiàn)壓阻式器件的大量程、高過載、高帶寬的性能。技術方案本發(fā)明主要由固定基座、懸臂梁、約瑟夫遜器件、壓敏電阻組成；固定基座I的一端連接于懸臂梁2的根部，懸臂梁2的鄰近根部區(qū)域摻雜有壓敏電阻5、6，在固定基座I上鄰近懸臂梁2連接處的區(qū)域摻雜有壓敏電阻4、7，壓敏電阻4、7的上部區(qū)域制作有約瑟夫遜器件3。所述的約瑟夫遜器件3由硅襯底、ニ氧化硅層、超導金屬層、超導金屬層、約瑟夫遜結、電壓輸入正扱、電壓輸入負極、電流輸出正扱、電流輸出負極組成；在硅襯底9上制作有ニ氧化硅層10，ニ氧化硅層10上淀積有超導金屬層11，超導金屬層11上制作有約瑟夫遜結13，約瑟夫遜結13上淀積有超導金屬層12，超導金屬層11的兩端連接有電壓輸入正極14、電流輸出負極17，超導金屬層12的兩端連接有電壓輸入負極15、電流輸出正極16。所述的約瑟夫遜器件3的結構材料層由硅襯底層、ニ氧化硅層、鉛層、氧化鉛層、銅層、鉛層組成；在硅襯底層18上制作有ニ氧化硅層19、即SiO2層，在ニ氧化硅層19上制作有鉛層20、即Pb層，在鉛層20上制作有氧化鉛層21、即PbO層，在氧化鉛層21上制作有制作有銅層22、即Cu層，在銅層22上制作有鉛層23、即Pb層。所述的壓敏電阻4、5、6、7結構尺寸相同，摻雜濃度相同，即阻值大小相同。所述的約瑟夫遜器件3采用S-I-N-S結構，即超導金屬-絕緣層-正常金屬-超導金屬。所述的壓敏電阻4、5、6、7連接成惠斯通電橋電路，其橋路輸出端連接于約瑟夫遜器件3的電壓輸入正極14、電壓輸入負極15，約瑟夫遜器件3的電流輸出正極16、電流輸出 負極17連接于頻率檢測電路，頻率檢測電路的信號輸出到頻譜分析儀。所述的基于約瑟夫遜效應的壓阻式カ敏器件超靈敏檢測方法，可廣泛應用于多種カ環(huán)境的檢測，如慣性力、哥氏力、壓力、靜電力、磁場カ等。檢測原理在微弱機械カ的擾動下，懸臂梁根部制作的壓敏電阻將力學信號轉變成電學信號，將壓敏電阻組成的惠斯通電橋電路的輸出電壓加載于約瑟夫遜結器件兩端，在有限微小電壓的作用下，就有一交變電流在約瑟夫遜結內往返流動，因此通過約瑟夫遜結可以將直流能量轉變?yōu)榻涣髂芰康?，對該交流能量頻率的測量，就可以得到惠斯通電橋電路的輸出電壓，進而可得到該微弱機械カ的大小。
2e V
ω =—し式中，e為電荷量；Vwt為電橋輸出電壓； 為普朗克常數(shù)；ω為電流輸出頻率。有益效果本發(fā)明與背景技術相比具有明顯的先進性，此檢測方法將約瑟夫遜結對電壓的超靈敏性應用于壓阻式器件的電壓信號的檢測，將直流能量信號轉變成交流能量信號，通過對交流能量信號的頻率檢測即可實現(xiàn)對微小電壓信號的檢測，可比傳統(tǒng)壓阻式信號檢測方法提高2-3數(shù)量級，檢測方便、數(shù)據(jù)翔實可靠，是ー種十分理想的壓阻式電壓信號的檢測方法。


圖I檢測原理整體結構2檢測原理框3檢測原理結構等效電路4約瑟夫遜結器件結構5約瑟夫遜結器件材料結構層圖中所示，附圖標記清單如下I、固定基座，2、懸臂梁，3、約瑟夫遜器件，4、壓敏電阻，5、壓敏電阻，6、壓敏電阻，7、壓敏電阻,8、壓敏電阻,9、娃襯底，10、ニ氧化娃層，11、超導金屬層，12、超導金屬層，13、約瑟夫遜結，14、電壓輸入正極，15、電壓輸入負極，16、電流輸出正極，17、電流輸出負極，18、硅襯底層，19、ニ氧化硅層，20、鉛層，21、氧化鉛，22、銅層，23、鉛層。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明做進ー步說明圖I所示為檢測原理整體結構圖，固定基座I的一端連接于懸臂梁2的根部，懸臂梁2的鄰近根部區(qū)域摻雜有壓敏電阻5、6，在固定基座I上鄰近懸臂梁2連接處的區(qū)域摻雜有壓敏電阻4、7，壓敏電阻4、7的上部區(qū)域制作有約瑟夫遜器件3。壓敏電阻4、5、6、7結構尺寸相同，摻雜濃度相同，即阻值大小相同。
壓敏電阻5、6處于懸臂梁2的根部，即懸臂梁2產生應變的最明顯區(qū)域，壓敏電阻4、7、約瑟夫遜器件3制作于固定基座I上的任何位置，即要求壓敏電阻4、7、約瑟夫遜器件3不能受外界應變的影響。懸臂梁2的厚度小于固定基座I的厚度，即懸臂梁2是感受外界カ最敏感的結構部件。圖2、3為檢測原理框圖、檢測原理結構等效電路圖，壓敏電阻4、5、6、7組成的惠斯通電橋電路輸出連接于約瑟夫遜器件3的電壓輸入正極14、電壓輸入負極15，約瑟夫遜器件3的電流輸出正極16、電流輸出負極17連接于頻率檢測電路，頻率檢測電路的信號輸出到頻譜分析儀。圖4為約瑟夫遜結器件結構圖，在硅襯底9上制作有ニ氧化硅層10，ニ氧化硅層10上淀積有超導金屬層11，超導金屬層11上制作有約瑟夫遜結13，約瑟夫遜結13上淀積有超導金屬層12，超導金屬層11的兩端連接有電壓輸入正極14、電流輸出負極17，超導金屬層12的兩端連接有電壓輸入負極15、電流輸出正極16。圖5為約瑟夫遜結器件材料結構層，在硅襯底層18上制作有ニ氧化硅層19、即SiO2層，在ニ氧化硅層19上制作有鉛層20、即Pb層，在鉛層20上制作有氧化鉛層21、gpPbO層，在氧化鉛層21上制作有制作有銅層22、即鉛層20，在銅層22上制作有鉛層23、SPPb層。約瑟夫遜器件3采用S-I-N-S結構，即超導金屬-絕緣層-正常金屬-超導金屬，結構材料厚度不等，ニ氧化硅層19、氧化鉛層21采用熱氧化的方式實現(xiàn)，氧化層的厚度約為I 0-1 00人不等，鉛層20、銅層22、鉛層23采用分子束外延エ藝實現(xiàn)，分子束外延是ー種在襯底材料上生長高質量晶體薄膜的技術，在生長過程中需要嚴格控制膜層的質量和厚度，否則將影響約瑟夫遜結器件的性能。
權利要求
1.一種基于約瑟夫遜效應的壓阻式力敏器件，其特征在于主要由固定基座、懸臂梁、約瑟夫遜器件、壓敏電阻組成；固定基座(I)的一端連接于懸臂梁(2)的根部，懸臂梁(2)的鄰近根部區(qū)域摻雜有壓敏電阻(5、6)，在固定基座(I)上鄰近懸臂梁(2)連接處的區(qū)域摻雜有壓敏電阻(4、7)，壓敏電阻(4、7)的上部區(qū)域制作有約瑟夫遜器件(3); 所述的約瑟夫遜器件(3)由硅襯底、二氧化硅層、超導金屬層、超導金屬層、約瑟夫遜結、電壓輸入正極、電壓輸入負極、電流輸出正極、電流輸出負極組成；在硅襯底(9)上制作有二氧化硅層(10)，二氧化硅層(10)上淀積有超導金屬層(11 )，超導金屬層(11)上制作有約瑟夫遜結(13)，約瑟夫遜結(13)上淀積有超導金屬層(12)，超導金屬層(11)的兩端連接有電壓輸入正極(14)、電流輸出負極(17)，超導金屬層(12)的兩端連接有電壓輸入負極(15)、電流輸出正極(16); 所述的約瑟夫遜器件(3)的結構材料層由硅襯底層、二氧化硅層、鉛層、氧化鉛層、銅層、鉛層組成；在硅襯底層(18)上制作有二氧化硅層(19)、即SiO2層，在二氧化硅層(19)上制作有鉛層(20 )、即Pb層，在鉛層(20 )上制作有氧化鉛層(21)、即PbO層，在氧化鉛層(21)上制作有制作有銅層(22 )、即Cu層，在銅層(22 )上制作有鉛層(23 )、即Pb層。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于約瑟夫遜效應的壓阻式力敏器件，其特征在于所述的壓敏電阻(4、5、6、7)結構尺寸相同，摻雜濃度相同，即阻值大小相同。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于約瑟夫遜效應的壓阻式力敏器件，其特征在于所述的約瑟夫遜器件(3)采用S-I-N-S結構，即超導金屬一絕緣層一正常金屬一超導金屬。
4.根據(jù)權利要求I所述的基于約瑟夫遜效應的壓阻式力敏器件，其特征在于所述的壓敏電阻(4、5、6、7)連接成惠斯通電橋電路，其橋路輸出端連接于約瑟夫遜器件(3)的電壓輸入正極(14)、電壓輸入負極(15)，約瑟夫遜器件(3)的電流輸出正極(16)、電流輸出負極(17)連接于頻率檢測電路，頻率檢測電路的信號輸出到頻譜分析儀。
全文摘要
一種基于約瑟夫遜效應的壓阻式力敏器件，主要由固定基座、懸臂梁、約瑟夫遜器件、壓敏電阻、頻率檢測電路、頻譜分析儀組成，懸臂梁的一端連接于固定基座，懸臂梁的根部摻雜有壓敏電阻，固定基座與懸臂梁連接的鄰近區(qū)域也摻雜有壓敏電阻，固定基座上還制作有約瑟夫遜器件，約瑟夫遜器件由硅襯底層、二氧化硅層、鉛層、氧化鉛層、銅層、鉛層組成，此檢測方法將約瑟夫遜結對電壓的超靈敏性應用于壓阻式器件的電壓信號的檢測，將直流能量信號轉變成交流能量信號，通過對交流能量信號的頻率檢測即可實現(xiàn)對微小電壓信號的檢測，其分辨率可比傳統(tǒng)壓阻式信號檢測方法提高2-3數(shù)量級，檢測方便、數(shù)據(jù)翔實可靠，是一種十分新穎的壓阻式電壓信號的檢測方法。
文檔編號G01L1/18GK102680147SQ20121005842
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月7日 優(yōu)先權日2012年3月7日
發(fā)明者劉俊, 李孟委, 李錫廣, 杜康, 王莉 申請人:中北大學