一種低功耗高靈敏度的碳納米管紅外傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低功耗高靈敏度的碳納米管紅外傳感器，其為基于碳納米管（carbon?nano-tube，CNT）與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝相結(jié)合的微懸臂梁紅外探測(cè)傳感器，該傳感器由標(biāo)準(zhǔn)硅工藝設(shè)計(jì)制造出兩個(gè)有間距并懸空的微懸臂梁，然后通過介電泳現(xiàn)象，將納米碳管成功的排列并且搭在相鄰的兩個(gè)微型懸臂梁上方。通過微懸臂梁對(duì)紅外線反應(yīng)后的形變帶動(dòng)柔軟的納米碳管的形變而觸發(fā)其電阻的變化。本發(fā)明具有體積小、重量輕、易于量產(chǎn)、低成本、低功耗、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可以和標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary?matal-oxide-semiconductor?transistor，CMOS）讀出電路進(jìn)行單片集成，可以通過大量的陣列應(yīng)用于紅外成像。
【專利說明】一種低功耗高靈敏度的碳納米管紅外傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種體積小、重量輕、易于量產(chǎn)、低成本、低功耗、高靈敏度的碳納米管紅外傳感器，可以通過大量的陣列應(yīng)用于紅外成像。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外傳感器主要有兩種結(jié)構(gòu)類型:bolometer型和微懸梁型。其中bolometer型的紅外傳感器的制作工藝比較復(fù)雜，同時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)的硅工藝不完全兼容，導(dǎo)致其量產(chǎn)中的生產(chǎn)成本高于微懸梁型紅外傳感器。普通的微懸梁傳感器為單懸梁結(jié)構(gòu)，在梁的頂端下面連接一個(gè)電容檢測(cè)組件。通過紅外光照射后，懸梁產(chǎn)生的形變使梁與基底之間的電容發(fā)生變化，從而利用其電容檢測(cè)組件得出其測(cè)量結(jié)果。此方法解決了 bolometer結(jié)構(gòu)在量產(chǎn)時(shí)高成本方面的缺陷，但是其靈敏度由于受到了電容傳感的限制而降低。
[0003]另一方面，碳納米管的產(chǎn)生引起了各個(gè)研究領(lǐng)域的關(guān)注并對(duì)其進(jìn)行研究與性能評(píng)價(jià)，其中一項(xiàng)有關(guān)碳納米管電阻變化特性的研究發(fā)現(xiàn)碳納米管在發(fā)生彎曲形變、擠壓形變以及拉伸形變時(shí)，其電阻變化非常明顯。此特性被應(yīng)用在本發(fā)明中，作為紅外傳感器的反應(yīng)機(jī)構(gòu)的核心部分。除此之外，碳納米管本身也對(duì)紅外光有著一定的反應(yīng)，并且其反應(yīng)為隨著紅外光的增強(qiáng)，電阻值減小，這與使其彎曲達(dá)到的效果一致，因而可進(jìn)一步的增加其反應(yīng)靈敏度。同時(shí)，在納米技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，對(duì)于微納物體的動(dòng)態(tài)控制也有了很大的進(jìn)展。其中介電泳現(xiàn)象在納米技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)成熟，主要應(yīng)用于細(xì)胞的分離、納米顆粒的定向排列等。在此技術(shù)的支撐下，本發(fā)明所提出的基于碳納米管的紅外傳感器的制作成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于碳納米管(carbon nano-tube, CNT)與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝相結(jié)合的微懸臂梁紅外探測(cè)傳感器，該傳感器是一種體積小、重量輕、易于量產(chǎn)、低成本、低功耗、高靈敏度的碳納米管紅外傳感器。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為:一種低功耗高靈敏度碳納米管紅外傳感器，由電阻反應(yīng)層、微懸梁上層、微懸梁下層、基底連接層、基底層組成，電阻反應(yīng)層搭接在兩個(gè)微懸梁下層之間的狹縫處，微懸梁上層附在微懸梁下層的上面，微懸梁下層大部分面積為懸空，兩端附在基底連接層上面，基底連接層在基底層上面，與微懸梁上層相比，微懸梁下層兩端略長(zhǎng)，中間部分與微懸梁上層重合，并通過基底連接層形成微懸梁結(jié)構(gòu)，微懸梁下層的根部沒有被微懸梁上層所覆蓋的部分作為電極用于整個(gè)結(jié)構(gòu)的電阻測(cè)量，同時(shí)，微懸梁下層的頂端沒有被微懸梁上層所覆蓋的部分作為電阻反應(yīng)層的連接部。
[0006]進(jìn)一步的，所述的電阻反應(yīng)層是由大量的碳納米管排列、匯聚形成，在范德華力的作用下，通過碳納米管特有的柔性與導(dǎo)電特性，形成一種特有的柔軟電阻薄膜。
[0007]進(jìn)一步的，所述的微懸梁上層由氮化硅材料制成，并且其厚度需要優(yōu)化，當(dāng)紅外光照射時(shí)不僅要保證一定的能量吸收，還需要保證一定的光透過率。
[0008]進(jìn)一步的，所述的微懸梁下層由鋁材料制成，并且其厚度需要優(yōu)化，需要保證在紅外光照射時(shí)不僅要保證一定的能量吸收，還需要保證一定的安全形變。
[0009]進(jìn)一步的，所述的基底連接層由氧化硅材料制成。
[0010]進(jìn)一步的，所述的基底層由硅材料制成。
[0011]本發(fā)明技術(shù)方案的原理是:
[0012]基于微懸梁結(jié)構(gòu)的紅外傳感器，根據(jù)圖1所示，微懸梁上層2與微懸梁下層3分別由熱膨脹系數(shù)不同的氮化硅與鋁箔制作而成。同時(shí)，微懸梁上層2要求當(dāng)紅外光照射在本器件表面時(shí)保證一定的光透過率。進(jìn)而使微懸梁下層3也由于紅外光照射而吸收熱量發(fā)生形變。在此條件下，由于微懸梁上層2與微懸梁下層3熱膨脹系數(shù)的不同，微懸梁發(fā)生向上方向的形變。此形變會(huì)導(dǎo)致橫跨于微懸梁上層2的電阻反應(yīng)層I發(fā)生形變，進(jìn)而導(dǎo)致其電阻的變化。由于電阻反應(yīng)層I是由大量的碳納米管通過排列而形成，增加了其靈敏度。除此之外，碳納米管本身也對(duì)紅外光有著一定的反應(yīng)，并且其反應(yīng)為隨著紅外光的增強(qiáng)，電阻值減小，這與使其彎曲達(dá)到的效果一致，因而進(jìn)一步的增加了其反應(yīng)靈敏度。根據(jù)圖2所示，碳納米管層阻值的測(cè)量通過微懸梁下層3根部露出的部分進(jìn)行測(cè)量。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0014]1、本發(fā)明由于采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝，由于此器件可以和標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary matal-oxi de-semi conductor transistor, CMOS)讀出電路進(jìn)行單片集成，因此具有可集成、低功耗、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。
[0015]2、同時(shí)，碳納米管的制作技術(shù)以及介電泳微納物質(zhì)排列技術(shù)已經(jīng)成熟，通過控制納米碳管在稀釋液里面的濃度與介電泳的時(shí)間、電壓以及頻率即可控制納米碳管層在量產(chǎn)過程中的均一性，使其具有低成本、高量產(chǎn)度的優(yōu)點(diǎn)。
[0016]3、更主要的，通過納米碳管的高反應(yīng)能力以及通過大量納米碳管的排列達(dá)到的倍增效果，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的截面圖；
[0018]圖2為本發(fā)明的俯視圖；
[0019]圖3為多種碳納米管對(duì)紅外光的反應(yīng)比較；
[0020]圖4為碳納米管排列后的顯微鏡照片；
[0021]圖5為微懸梁形變表示圖(a)形變前，(b)形變后；
[0022]圖6為碳納米管形變表示圖(a)形變前，(b)形變后；
[0023]圖7為微懸梁仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
[0024]圖8為本發(fā)明的數(shù)據(jù)獲取流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0026]如圖1、2所示，為本發(fā)明技術(shù)解決方案包括由電阻反應(yīng)層1、微懸梁上層2、微懸梁下層3、基底連接層4、基底層5組成，電阻反應(yīng)層I搭接在兩個(gè)微懸梁下層3之間的狹縫處，微懸梁上層2附在微懸梁下層3的上面，微懸梁下層3大部分面積為懸空，兩端附在基底連接層4上面，基底連接層4在基底層5上面。與微懸梁上層2相比，微懸梁下層3兩端略長(zhǎng)，中間部分與微懸梁上層2重合，并通過基底連接層4形成微懸梁結(jié)構(gòu)。微懸梁下層3的根部沒有被微懸梁上層2所覆蓋的部分作為電極用于整個(gè)結(jié)構(gòu)的電阻測(cè)量。同時(shí)，微懸梁下層3的頂端沒有被微懸梁上層2所覆蓋的部分作為電阻反應(yīng)層I的連接部。
[0027]上述本發(fā)明所用的電阻反應(yīng)層I是由大量的碳納米管在介電泳的效果下定向排列、匯聚形成。微懸梁上層2是通過化學(xué)蒸汽沉積法制成的氮化硅材料。微懸梁下層3是由蒸汽沉積法形成的鋁箔。基底連接層4是利用硅基底氧化并通過蝕刻的方法制成?；讓?是由娃晶片制成。
[0028]首先通過化學(xué)蒸汽沉積法在基底層5上面形成一層氧化硅，然后利用蒸汽沉積法制成鋁箔并通過漏光方法形成微懸梁下層3，接著通過化學(xué)蒸汽沉積法制成氮化硅層并再次通過漏光方法形成微懸梁上層2。下一步是電阻反應(yīng)層I的制備。在制備之前，通過實(shí)驗(yàn)比較得知單層納米碳管對(duì)與紅外光的反應(yīng)最為強(qiáng)烈，如圖3，因此應(yīng)用在本發(fā)明中。通過介電泳現(xiàn)象利用電壓及頻率的調(diào)節(jié)以及碳納米管溶液濃度的調(diào)節(jié)將大量的碳納米管整齊的排列在器件中心并搭在微懸梁下層3的兩端上，如圖4。最后利用蝕刻的方法將基底層5的中心部位上方的基底連接層4蝕刻，使微懸梁下層3懸空，從而形成本發(fā)明所提出的器件。
[0029]本發(fā)明在具體實(shí)施過程中，由于傳感能力是由碳納米管的阻值變化而決定，因此，微懸梁上層2與微懸梁下層3的彎曲變化幅度是該器件測(cè)量的基礎(chǔ)指標(biāo)。進(jìn)而可知，微懸梁上層2與微懸梁下層3的厚度的優(yōu)化是及其重要的。其優(yōu)化途徑可利用下列公式實(shí)現(xiàn):
【權(quán)利要求】
1.一種低功耗高靈敏度的碳納米管紅外傳感器，其特征在于:由電阻反應(yīng)層(I)、微懸梁上層(2)、微懸梁下層(3)、基底連接層(4)、基底層(5)組成，電阻反應(yīng)層(I)搭接在兩個(gè)微懸梁下層(3)之間的狹縫處，微懸梁上層(2)附在微懸梁下層(3)的上面，微懸梁下層(3)大部分面積為懸空，兩端附在基底連接層(4)上面，基底連接層(4)在基底層(5)上面，與微懸梁上層(2 )相比，微懸梁下層(3 )兩端略長(zhǎng)，中間部分與微懸梁上層(2 )重合，并通過基底連接層(4 )形成微懸梁結(jié)構(gòu)，微懸梁下層(3 )的根部沒有被微懸梁上層(2 )所覆蓋的部分作為電極，用于整個(gè)結(jié)構(gòu)的電阻測(cè)量，同時(shí)，微懸梁下層(3)的頂端沒有被微懸梁上層(2)所覆蓋的部分作為電阻反應(yīng)層(I)的連接部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗高靈敏度的碳納米管紅外傳感器，其特征在于:所述的電阻反應(yīng)層(I)是由大量的碳納米管排列、匯聚形成，在范德華力的作用下，通過碳納米管特有的柔性與導(dǎo)電特性，形成一種特有的柔軟電阻薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗高靈敏度的碳納米管紅外傳感器，其特征在于:所述的微懸梁上層(2)由氮化硅材料制成，并且其厚度需要優(yōu)化，當(dāng)紅外光照射時(shí)不僅要保證一定的能量吸收，還需要保證一定的光透過率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗高靈敏度的碳納米管紅外傳感器，其特征在于:所述的微懸梁下層(3)由鋁材料制成，并且其厚度需要優(yōu)化，需要保證在紅外光照射時(shí)不僅要保證一定的能量吸收，還需要保證一定的安全形變。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗高靈敏度的碳納米管紅外傳感器，其特征在于:所述的基底連接層(4)由氧化硅材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗高靈敏度的碳納米管紅外傳感器，其特征在于:所述的基底層(5)由硅材料制成。
【文檔編號(hào)】G01J5/22GK103557944SQ201310506884
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】袁珩, 房建成 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)