專利名稱：氧化鋅納米桿壓力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種ZnO納米桿壓力傳感器及其制備方法，屬于納米器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
ZnO材料具有優(yōu)良的壓電性能，在壓電方面具有重大的應(yīng)用前景，如壓電發(fā)動機 和壓電壓力傳感器。最近這些年來，以ZnO塊材料(CN100488914)、薄膜材料(Kuoni A, Holzherr R, Boillat, et al. 2003 J. Micromech. Microeng. 13 S103)、納米材料(Zhou J, Gu YD, Fei P, Mai ff J, Gao Y F, Yang R S, Bao G, Wang Z L 2008 Nano Lett. 8 3035)為基礎(chǔ)的壓力傳感器發(fā)展的很快。在這些材料中，基于以下原因ZnO納米桿具有 很大的優(yōu)勢制作的簡便，高的比表面積和長徑比，限制在二維尺度的載流子等等。但是，就 目前來說，將這些納米材料做成高靈敏度的壓力器件仍然存在著很大的挑戰(zhàn)。一方面，缺乏 簡易實用的制備工藝將納米材料做進工作器件。比如，較普遍的“拿起和放下”，納米材料 先被從最先生長的襯底上剝離，再隨機的散布于最后制作器件的絕緣襯底上。在這個過程 中包含一些較復雜的工藝如光刻、電子束曝光、聚焦離子束等等。雖然這種方法提供了一 種對納米材料進行基礎(chǔ)研究的方法，但這些冗繁復雜的工藝在實際應(yīng)用上無疑會成為重大 障礙。另一方面，傳統(tǒng)方法僅僅依靠材料本身的壓電性能，導致器件的響應(yīng)不高，具體表現(xiàn) 在壓力對電流的控制不大，一般的報導開關(guān)比在10以下，報導最大的也不過120 (Zhou J, Fei P, Gu Y D, Mai ff J, Gao Y F, Yang R S, Bao G, Wang Z L, 2008 Nano Lett. 8 3973)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高靈敏度ZnO納米桿壓力傳感器及其制 備方法，該方法工藝簡單、成本低廉，可大面積制備水平生長的ZnO陣列，且制備的ZnO納米 桿具有良好的襯底附著力和穩(wěn)定優(yōu)良的壓力傳感性能。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是
一種氧化鋅納米桿壓力傳感器，包括不導電的柔性襯底、種子層、兩金屬電極和氧化鋅 納米桿陣列；所述種子層沉積于柔性襯底上，所述金屬電極沉積于種子層上，所述氧化鋅納 米桿陣列生長于種子層上并且平行于襯底排列，兩種子層上生長出的ZnO納米桿之間保持 亞穩(wěn)態(tài)的接觸。所謂亞穩(wěn)態(tài)的接觸即接觸不是固定的，而直接受到外在壓力變化的影響。具有附加技術(shù)特征的進一步的技術(shù)方案是
所述不導電的柔性襯底為Kapton (聚酰亞胺)、PET (聚對苯二甲酸類塑料)、或Teflon (聚四氟乙烯)。所述種子層為氧化鋅、摻鋁的氧化鋅或金，也可以為其他常用的種子層材料，其厚 度為30 300nm。所述金屬電極為錫、鉻或摻二氧化錫的三氧化二銦電極，其厚度為5 50nm。
所述金屬電極之間的距離為1 30微米。本發(fā)明還公開了上述氧化鋅納米桿壓力傳感器的制備方法 一種制備氧化鋅納米桿壓力傳感器的制備方法，依次包括如下步驟
步驟一，利用傳統(tǒng)光刻工藝在柔性襯底上做出兩電極的光刻膠掩膜，或者利用金屬掩 膜作掩膜；
步驟二，用對氧化鋅具有親和性的材料在柔性襯底上沉積一層薄膜作為種子層，得到 兩電極形狀的薄膜；
步驟三，用對氧化鋅不具有親和性的材料在柔性襯底上再沉積一層圖形化鈍化層薄 膜，它們同時也作為電極；
步驟四，以高壓反應(yīng)釜作為反應(yīng)容器，使用含有鋅離子的堿性反應(yīng)溶液，將襯底正面朝 下置于液面處，密封后置于烘箱中65 140°C下保溫反應(yīng)1 3h，反應(yīng)后將襯底用去離子 水漂洗，烘干，得到水平生長的ZnO納米桿陣列；
步驟五，從兩電極上接出導線并利用旋涂的方法在樣品上涂敷一層PDMS (聚二甲基硅 氧烷)薄膜進行封裝。具有附加技術(shù)特征的進一步的技術(shù)方案是
所述柔性襯底為不導電的Kapton (聚酰亞胺)、PET (聚對苯二甲酸類塑料)、或Teflon (聚四氟乙烯)。所述對氧化鋅具有親和性的材料為氧化鋅、摻鋁的氧化鋅或金。所述對氧化鋅不具有親和性的材料為錫、鉻或摻二氧化錫的三氧化二銦(IT0)。所述兩電極距離為1 30微米，且后續(xù)的水熱法溶液濃度及反應(yīng)時間與該距離直 接相關(guān)，隨著間距的增加，對應(yīng)溶液濃度及反應(yīng)時間也有相應(yīng)的增加。本發(fā)明利用了水熱法的生長機制，在種子層上沉積鈍化層，從而可以讓ZnO納米 桿只生長于電極邊緣側(cè)面的種子層上，由于納米桿生長的空間競爭，導致大部分納米桿平 行于襯底生長。兩邊電極上的納米桿向中間生長以致連接，于是就構(gòu)成了一個納米桿壓力 傳感器。本發(fā)明傳感器通過引入了兩邊生長出的ZnO納米桿之間這一亞穩(wěn)態(tài)的接觸(該 接觸在一定程度上受壓力的控制)，加上ZnO材料本身優(yōu)良的壓電性能，獲得了很高的靈敏 度。例如在無壓力狀態(tài)下與壓力狀態(tài)下的電流比為107量級(所加偏壓為2伏，所施壓力為 1.4%)。而一般文獻的報導中這一數(shù)值不會超過103量級。并且本發(fā)明傳感器有較好的靈 敏取向性只對拉伸力有較高的靈敏度，而對反方向的壓縮力無較大靈敏度?？傊?，本發(fā)明 傳感器具有優(yōu)良的壓力傳感性能。本發(fā)明的納米傳感器陣列的敏感性能優(yōu)于其它單純依靠 材料壓電性能的壓力傳感器。目前大部分報導中，利用ZnO納米線形成類似的器件主要包括以下方法先通過 某種方法(CVD，水熱法，VLS等)生長好納米線，在將納米線從襯底剝離，再涂敷于電極之間， 最后形成器件；先通過某種方法(濕法刻蝕，反應(yīng)離子刻蝕等方法)在襯底上刻蝕出溝道，再 在溝道間生長納米線，最后形成器件。相比于這兩種方法，本發(fā)明的制備方法另辟蹊徑，簡 化了工藝，節(jié)省了成本，一次就位的工藝也保證了器件的性能。本發(fā)明方法工藝簡單、成本 低廉，可大面積制備ZnO納米傳感器陣列。


圖1是制備ZnO納米桿水平陣列的過程示意圖，其中1為襯底，2為鈍化層及電 極，3為氧化鋅種子層，4為氧化鋅納米桿；
圖2是實施例1所制備的ZnO納米桿壓力傳感器在不同壓力下的電流電壓曲線； 圖3是實施例2所制備的ZnO納米桿壓力傳感器在不同壓力下的電流電壓曲線； 圖4是實施例3所制備的ZnO納米桿壓力傳感器在不同壓力下的電流電壓曲線。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明公開了一種氧化鋅納米桿壓力傳感器，包括不導電的柔性襯 底1、種子層3、兩金屬電極2和氧化鋅納米桿陣列4 ；所述種子層沉積于柔性襯底上，所述 金屬電極沉積于種子層上，所述氧化鋅納米桿陣列生長于種子層上并且平行于襯底排列， 兩種子層上生長出的ZnO納米桿之間保持亞穩(wěn)態(tài)的接觸。本發(fā)明還公開了上述氧化鋅納米桿壓力傳感器的制備方法 一種制備氧化鋅納米桿壓力傳感器的制備方法，依次包括如下步驟
步驟一，利用傳統(tǒng)光刻工藝在柔性襯底上做出兩電極的光刻膠掩膜，或者利用金屬掩 膜作掩膜；
步驟二，用對氧化鋅具有親和性的材料在柔性襯底上沉積一層薄膜作為種子層，得到 兩電極形狀的薄膜；
步驟三，用對氧化鋅不具有親和性的材料在柔性襯底上再沉積一層圖形化鈍化層薄 膜，它們同時也作為電極；
步驟四，以高壓反應(yīng)釜作為反應(yīng)容器，使用含有鋅離子的堿性反應(yīng)溶液，將襯底正面朝 下置于液面處，密封后置于烘箱中65 140°C下保溫反應(yīng)1 3h，反應(yīng)后將襯底用去離子 水漂洗，烘干，得到水平生長的ZnO納米桿陣列；
步驟五，從兩電極上接出導線并利用旋涂的方法在樣品上涂敷一層PDMS (聚二甲基硅 氧烷)薄膜進行封裝。下面通過具體實施例來詳細說明本發(fā)明。當樣品收到應(yīng)力的作用時，測量兩電極 間的電流電壓特性時即可得到器件的響應(yīng)。實施例1
在本例中，以PET為襯底，以傳統(tǒng)光刻掩模為例來說明。具體步驟如下
1.采用傳統(tǒng)的半導體工藝清洗基片；
2.使用傳統(tǒng)光刻工藝在玻璃襯底上作一層光刻膠的掩膜；
3.在玻璃襯底上沉積一層300nm的ZnO薄膜做種子層；
4.再在襯底上沉積一層50nm的Sn薄膜做鈍化層，同時也作為電極；
5.使用傳統(tǒng)去光刻膠的方法洗去光刻膠，得到所需的電極；
6.采用有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓水熱反應(yīng)釜為反應(yīng)容器，反應(yīng)溶液為濃度為 0. 0125mol/L的醋酸鋅和六亞甲基四氨的水溶液。將樣品正面朝下水平置于反應(yīng)釜中的液 面下接近液面處，將高壓釜至于恒溫箱中，95°C保持二個小時；
7.將樣品取出，用去離子水漂洗，烘干，得到所需的樣品；
8.從兩電極上接出導線并利用旋涂的方法在樣品上涂敷一層PDMS(聚二甲基硅氧烷)
5薄膜進行封裝。將壓力作用在器件上，用Keithley4200測量其I_V特性，即可得到器件對壓力的 響應(yīng)，如圖2所示。實施例2
在本例中，以Kapton為襯底，以傳統(tǒng)光刻掩模為例來說明。具體步驟如下
1.采用傳統(tǒng)的半導體工藝清洗二氧化硅襯底；
2.使用傳統(tǒng)光刻工藝在二氧化硅襯底上作一層光刻膠的掩膜；
3.在二氧化硅襯底上沉積一層200nm的AZ0薄膜作種子層；
4.再在二氧化硅襯底上沉積一層5nm的Cr薄膜作鈍化層，同時也作為電極；
5.使用傳統(tǒng)去光刻膠的方法洗去光刻膠，得到所需的電極；
6.采用有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓水熱反應(yīng)釜為反應(yīng)容器，反應(yīng)溶液為濃度為 0. 025mol/L的醋酸鋅和六亞甲基四氨的水溶液。將樣品正面朝下水平置于反應(yīng)釜中的液面 下接近液面處，將高壓釜至于恒溫箱中，140°C保持一個小時；
7.將樣品取出，用去離子水漂洗，烘干，得到所需的樣品；
8.從兩電極上接出導線并利用旋涂的方法在樣品上涂敷一層PDMS(聚二甲基硅氧烷) 薄膜進行封裝。將壓力作用在器件上，用Keithley4200測量其I_V特性，即可得到器件對壓力的 響應(yīng)，如圖3所示。實施例3
在本例中，以Teflon為襯底，以金屬掩模為例來說明。具體步驟如下
1.無水乙醇及去離子水清洗PET柔性襯底并吹干待用；
2.用金屬掩膜作掩膜，在襯底上沉積一層30nm的金薄膜作種子層；
3.再在襯底上沉積一層30nm的IT0薄膜作鈍化層，同時也作為電極；
4.采用有聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓水熱反應(yīng)釜為反應(yīng)容器，反應(yīng)溶液為濃度為 0. 05mol/L的醋酸鋅和六亞甲基四氨的水溶液。將樣品正面朝下水平置于反應(yīng)釜中的液面 下接近液面處，將高壓釜至于恒溫箱中，65°C保持三個小時；
5.將樣品取出，用去離子水漂洗，烘干，得到所需的樣品；
6.從兩電極上接出導線并利用旋涂的方法在樣品上涂敷一層PDMS(聚二甲基硅氧烷) 薄膜進行封裝。將壓力作用在器件上，用Keithley4200測量其I_V特性，即可得到器件對壓力的 響應(yīng)，如圖4所示。
權(quán)利要求
一種氧化鋅納米桿壓力傳感器，其特征在于包括不導電的柔性襯底、種子層、兩金屬電極和氧化鋅納米桿陣列；所述種子層沉積于柔性襯底上，所述金屬電極沉積于種子層上，所述氧化鋅納米桿陣列生長于種子層上并且平行于襯底排列，兩種子層上生長出的ZnO納米桿之間保持亞穩(wěn)態(tài)的接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的氧化鋅納米桿壓力傳感器，其特征在于所述不導電的柔性襯底 為聚酰亞胺、聚對苯二甲酸類塑料或聚四氟乙烯。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氧化鋅納米桿壓力傳感器，其特征在于所述種子層為氧化 鋅、摻鋁的氧化鋅或金，其厚度為30 300nm。
4.如權(quán)利要求1或2所述的氧化鋅納米桿壓力傳感器，其特征在于所述金屬電極為錫、 鉻或摻二氧化錫的三氧化二銦，其厚度為5 50nm。
5.如權(quán)利要求1或2所述的氧化鋅納米桿壓力傳感器，其特征在于所述金屬電極之間 的距離為1 30微米。
6.一種氧化鋅納米桿壓力傳感器的制備方法，其特征在于依次包括如下步驟步驟一，利用傳統(tǒng)光刻工藝在柔性襯底上做出兩電極的光刻膠掩膜，或者利用金屬掩 膜作掩膜；步驟二，用對氧化鋅具有親和性的材料在柔性襯底上沉積一層薄膜作為種子層，得到 兩電極形狀的薄膜；步驟三，用對氧化鋅不具有親和性的材料在柔性襯底上再沉積一層圖形化鈍化層薄 膜，它們同時也作為電極；步驟四，以高壓反應(yīng)釜作為反應(yīng)容器，使用含有鋅離子的堿性反應(yīng)溶液，將襯底正面朝 下置于液面處，密封后置于烘箱中65 140°C下保溫反應(yīng)1 3h，反應(yīng)后將襯底用去離子 水漂洗，烘干，得到水平生長的ZnO納米桿陣列；步驟五，從兩電極上接出導線并利用旋涂的方法在樣品上涂敷一層聚二甲基硅氧烷薄 膜進行封裝。
7.如權(quán)利要求6所述的氧化鋅納米桿壓力傳感器的制備方法，其特征在于所述柔性襯 底為聚酰亞胺、聚對苯二甲酸類塑料或聚四氟乙烯。
8.如權(quán)利要求6或7所述的氧化鋅納米桿壓力傳感器的制備方法，其特征在于所述對 氧化鋅具有親和性的材料為氧化鋅、摻鋁的氧化鋅或金。
9.如權(quán)利要求6或7所述的氧化鋅納米桿壓力傳感器的制備方法，其特征在于所述對 氧化鋅不具有親和性的材料為錫、鉻或摻二氧化錫的三氧化二銦。
10.如權(quán)利要求6或7所述的氧化鋅納米桿壓力傳感器的制備方法，其特征在于所述含 有鋅離子的堿性反應(yīng)溶液為醋酸鋅和六亞甲基四氨的水溶液。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氧化鋅納米桿壓力傳感器及其制備方法，屬于納米器件領(lǐng)域。氧化鋅納米桿壓力傳感器包括不導電的柔性襯底、種子層、兩金屬電極和氧化鋅納米桿陣列；所述種子層沉積于柔性襯底上，所述金屬電極沉積于種子層上，所述氧化鋅納米桿陣列生長于種子層上并且平行于襯底排列，兩種子層上生長出的ZnO納米桿之間保持亞穩(wěn)態(tài)的接觸。本發(fā)明傳感器具有極高的靈敏度,本發(fā)明方法繞開對納米材料“拿起和放下”的傳統(tǒng)思維模式，通過一步到位的工藝和對器件結(jié)構(gòu)精確的控制，得到了超高靈敏度的傳感器，而且其制備工藝簡單、一氣呵成、成本低廉。
文檔編號G01L1/16GK101893494SQ201010252908
公開日2010年11月24日 申請日期2010年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者劉逆霜, 方國家, 黃暉輝, 龍浩 申請人:武漢大學