本發(fā)明涉及帶電粒子測量領域，特別涉及一種帶電粒子計數裝置及其制造方法。

背景技術：

在很多物理或化學實驗中，常常需要對帶電粒子進行計數，例如對溶液中的陰離子或陽離子進行計數以計算溶液的濃度，以及探測真空中的帶電粒子數等。

相關技術中，帶電粒子計數裝置一般包括磁電感應線圈、場效應管和模擬數字轉換器，場效應管分為n型場效應管或p型場效應管，n型場效應管或p型場效應管與磁電感應線圈電連接。以探測真空中的帶電粒子數為例，當真空中的粒子帶負電時，可以利用連接有p型場效應管的磁電感應線圈進行計數，具體過程包括：當帶電粒子通過磁電感應線圈時，模擬數字轉換器監(jiān)測p型場效應管中的電流大小，并根據電流大小計算帶負電的粒子數量；當真空中的粒子帶正電時，可以利用連接有n型場效應管的磁電感應線圈進行計數，具體過程包括：當帶電粒子通過磁電感應線圈時，模擬數字轉換器監(jiān)測n型場效應管中的電流大小，并根據電流大小計算帶正電的粒子數量。

但是，相關技術中的帶電粒子計數裝置，在場效應管為n型場效應管的情況下，該裝置用于對帶正電的粒子進行計數；在場效應管為p型場效應管的情況下，該裝置用于對帶負電的粒子進行計數，所以該裝置只能對帶正電的粒子進行計數或者對帶負電的粒子進行計數，功能比較單一。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決相關技術中帶電粒子計數裝置的功能比較單一的問題，本發(fā)明實施例提供了一種帶電粒子計數裝置及其制造方法。所述技術方案如下：

一方面，提供了一種帶電粒子計數裝置，所述裝置包括：

碳納米管晶體管、磁電感應線圈和模擬數字轉換器；

其中，所述碳納米管晶體管的柵極與所述磁電感應線圈的一端電連接，所述磁電感應線圈的另一端接地，所述碳納米管晶體管的第一極與所述模擬數字轉換器電連接，所述碳納米管晶體管的第二極用于加載供電電壓，所述第一極和所述第二極分別為源極和漏極中的一個，

當帶正電的帶電粒子流通過所述磁電感應線圈，且所述磁電感應線圈產生的第一感生電壓大于預設電壓閾值時，所述碳納米管晶體管的溝道為n型溝道，且所述n型溝道處于打開狀態(tài)；當帶負電的帶電粒子流通過所述磁電感應線圈，且所述磁電感應線圈產生的第二感生電壓小于預設電壓閾值時，所述碳納米管晶體管的溝道為p型溝道，且所述p型溝道處于打開狀態(tài)。

可選的，所述碳納米管晶體管包括：

襯底基板，以及依次設置在所述襯底基板上的柵極圖形、絕緣層、碳納米管薄膜圖形、電子阻擋層、源漏極金屬圖形、保護層和氧化銦錫電極層，所述源漏極金屬圖形包括所述源極和所述漏極。

可選的，所述源漏極金屬圖形為厚度為300納米的銅金屬圖形。

可選的，所述保護層為厚度為100納米的氧化鋁層。

另一方面，提供了一種帶電粒子計數裝置的制造方法，所述方法包括：

形成碳納米管晶體管；

將所述碳納米管晶體管的柵極與磁電感應線圈的一端電連接，所述磁電感應線圈的另一端接地；

將所述碳納米管晶體管的第一極與模擬數字轉換器電連接；

給所述碳納米管晶體管的第二極加載供電電壓，所述第一極和所述第二極分別為源極和漏極中的一個。

可選的，所述形成碳納米管晶體管，包括：

在襯底基板上依次形成柵極圖形、絕緣層、碳納米管薄膜圖形、電子阻擋層、源漏極金屬圖形、保護層和氧化銦錫電極層，所述源漏極金屬圖形包括源極和漏極。

可選的，在所述襯底基板上形成所述碳納米管薄膜圖形，包括：

采用提拉法在所述絕緣層上形成碳納米管薄膜層；

對所述碳納米管薄膜層進行一次構圖工藝，形成所述碳納米管薄膜圖形。

可選的，所述源漏極金屬圖形為厚度為300納米的銅金屬圖形。

可選的，采用原子層沉積的方式形成所述保護層。

可選的，所述保護層為厚度為100納米的氧化鋁層。

本發(fā)明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：

提供了帶電粒子計數裝置及其制造方法，當磁電感應線圈產生的第一感生電壓大于預設電壓閾值時，也即是加載在碳納米管晶體管的柵極上的電壓大于預設電壓閾值時，碳納米管晶體管的溝道為n型溝道，可用于對帶正電的粒子進行計數；當磁電感應線圈產生的第二感生電壓小于預設電壓閾值時，也即是加載在碳納米管晶體管的柵極上的電壓小于預設電壓閾值時，碳納米管晶體管的溝道為p型溝道，可用于對帶負電的粒子進行計數，因此該帶電粒子計數裝置既可用于帶正電的帶電粒子的計數，也可用于帶負電的帶電粒子的計數，豐富了帶電粒子計數裝置的功能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種帶電粒子計數裝置的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的一種碳納米管晶體管的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的一種碳納米管晶體管的雙開關特性示意圖；

圖4-1是本發(fā)明實施例提供的一種碳納米管晶體管的電路原理圖；

圖4-2是本發(fā)明實施例提供的另一種碳納米管晶體管的電路原理圖；

圖5是本發(fā)明實施例提供的一種帶電粒子計數裝置的制造方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

本發(fā)明實施例提供了一種帶電粒子計數裝置，如圖1所示，該裝置包括：

碳納米管晶體管10、磁電感應線圈20和模擬數字轉換器30。

其中，碳納米管晶體管10的柵極101與磁電感應線圈20的一端電連接，磁電感應線圈20的另一端接地，碳納米管晶體管10的第一極102與模擬數字轉換器30電連接，碳納米管晶體管10的第二極103用于加載供電電壓，第一極和第二極分別為源極和漏極中的一個。也即是，第一極為源極，第二極為漏極。或者，第一極為漏極，第二極為源極。

在本發(fā)明實施例中，以第一極為漏極，第二極為源極為例進行說明。

當帶正電的帶電粒子流γ1通過磁電感應線圈20，且磁電感應線圈產生的第一感生電壓大于預設電壓閾值時，碳納米管晶體管的溝道為n型溝道，且該n型溝道處于打開狀態(tài)；當帶負電的帶電粒子流γ2通過磁電感應線圈20，且磁電感應線圈產生的第二感生電壓小于預設電壓閾值時，該碳納米管晶體管的溝道為p型溝道，且該p型溝道處于打開狀態(tài)。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供的帶電粒子計數裝置，當磁電感應線圈產生的第一感生電壓大于預設電壓閾值時，也即是加載在碳納米管晶體管的柵極上的電壓大于預設電壓閾值時，碳納米管晶體管的溝道為n型溝道，可用于對帶正電的粒子進行計數，當磁電感應線圈產生的第二感生電壓小于預設電壓閾值時，也即是加載在碳納米管晶體管的柵極上的電壓小于預設電壓閾值時，碳納米管晶體管的溝道為p型溝道，可用于對帶負電的粒子進行計數，因此該帶電粒子計數裝置既可用于帶正電的帶電粒子的計數，也可用于帶負電的帶電粒子的計數，豐富了帶電粒子計數裝置的功能。

需要說明的是，碳納米管的本征載流子為電子，理論上而言，將碳納米管作為薄膜晶體管的溝道材料時，碳納米管晶體管(以碳納米管為溝道材料的薄膜晶體管稱為碳納米管晶體管)應為n型晶體管，但由于碳納米管表面容易吸附空氣中的水氧空穴(例如羥基、環(huán)氧基等基團)，實際在未封裝的情況下，碳納米管晶體管為p型晶體管。在利用封裝材料將碳納米管晶體管封裝后，封裝材料將空氣中的水氧空穴隔絕，平衡了碳納米管中的空穴和電子載流子，因此碳納米管晶體管能夠顯示出雙極性，也即是在一定條件下，碳納米管晶體管的溝道可以為n型溝道，或者碳納米管晶體管的溝道可以為p型溝道。

可選的，本發(fā)明實施例中，封裝結構包括襯底基板和保護層。示例的，碳納米管晶體管10的結構可以如圖2所示，碳納米管晶體管10可以包括：

襯底基板104，以及依次設置在襯底基板104上的柵極圖形101、絕緣層105、碳納米管薄膜圖形106、電子阻擋層107、源漏極金屬圖形、保護層108和氧化銦錫電極層109，其中，源漏極金屬圖形可以包括源極103和漏極102。

其中，源漏極金屬圖形可以為厚度為300納米的銅金屬圖形。由于銅是常見的非貴金屬中與碳納米管的功函數相對比較接近的金屬，碳納米管的功函數為4.4電子伏(簡稱：ev)，銅的功函數為4.65ev，因此當銅金屬圖形與碳納米管薄膜圖形接觸時，銅金屬圖形與碳納米管薄膜圖形之間的功函數差相對較小，能夠降低銅金屬圖形與碳納米管薄膜圖形的接觸面勢壘，易于形成歐姆接觸，也即是可以盡量減少電子傳輸過程中的損耗，提高碳納米管晶體管的靈敏度。

可選的，保護層可以為厚度為100納米的氧化鋁層。由于氧化鋁層的致密性高，可以有效地隔絕空氣中的水氧，保證了碳納米管晶體管的雙極性特性。保護層的材質還可以為氧化硅和/或氮化硅，本發(fā)明實施例對保護層的材質不做限定。

可選的，襯底基板可以為玻璃基板，也可以為硅片或者柔性聚酰亞胺(英文：polyimide；簡稱：pi)襯底，本發(fā)明實施例對襯底基板的材質不做限定。

圖3示出了本發(fā)明實施例提供的碳納米管晶體管的雙開關特性的示意圖，圖中橫坐標代表柵極電壓vg的大小，單位為伏特(簡稱：v)，縱坐標代表漏極電流i0的大小，單位為安培(簡稱：a)，其中，預設電壓閾值為v0，源極上加載的供電電壓可以為-5.1v。實際應用中，源極上加載的供電電壓可以由碳納米管晶體管的輸出功率來確定，本發(fā)明實施例對源極上加載的供電電壓的大小不做限定。

如圖3所示，柵極電壓vg的大小從10v到-10v的變化過程中，當磁電感應線圈產生的第一感生電壓大于預設電壓閾值，也即是vg大于v0時，碳納米管晶體管的溝道為n型溝道，碳納米管晶體管的電路原理圖可以參見圖4-1，g為柵極，d為漏極，s為源極，隨著柵極電壓vg的增大，漏極電流i0也增大。當vg小于v0時，g為柵極，d為漏極，s為源極，碳納米管晶體管的溝道為p型溝道，碳納米管晶體管的電路原理圖可以參見圖4-2，隨著柵極電壓vg的減小，漏極電流i0增大。從圖3中可以看出，預設電壓閾值v0的值可以為負值，實際應用中可以在柵極加載補償電壓，將預設電壓閾值設置為0。

示例的，本發(fā)明實施例提供的帶電粒子計數裝置可以對真空中或者溶液中的帶電粒子進行計數，以對溶液中的帶電粒子進行計數為例說明，計數過程可以為：

將磁電感應線圈放入未知電性的待測溶液中，當溶液中大多數粒子帶正電時，帶電粒子通過磁電感應線圈的通道，磁電感應線圈能夠產生感生電壓，由于磁電感應線圈的一端與碳納米管晶體管的柵極電連接，另一端接地，磁電感應線圈根據帶電粒子的運動產生感生電壓，碳納米管晶體管的柵極電壓等于感生電壓，由于帶正電的粒子通過磁電感應線圈的通道時，磁電感應線圈產生的感生電壓為正，因此碳納米管晶體管的溝道為n型溝道，隨著感生電壓的增大，漏極電流也增大，與碳納米管晶體管的漏極電連接的模擬數字轉換器可以根據漏極電流計算溶液中帶正電的帶電粒子的數量，具體過程可以參考相關技術；同理，當溶液中大多數粒子帶負電時，由于帶負電的粒子通過磁電感應線圈的通道時，磁電感應線圈產生的感生電壓為負，因此碳納米管晶體管的溝道為p型溝道，隨著感生電壓的減小，漏極電流增大，與碳納米管晶體管的漏極電連接的模擬數字轉換器可以根據漏極電流計算溶液中帶負電的帶電粒子的數量，具體過程可以參考相關技術。因此。本發(fā)明實施例提供的帶電粒子計數裝置既可用于帶正電的帶電粒子的計數，也可用于帶負電的帶電粒子的計數，實現(xiàn)了利用單一器件測量多種電性的帶電粒子的功能。

需要說明的是，本發(fā)明實施例提供的帶電粒子計數裝置還可以用于其他帶電測試，例如用于測試電池電解質溶液中正負離子團的移動。

此外，由于碳納米管晶體管具有雙極性特性，可以在單一器件中實現(xiàn)雙開關特性，能夠極大地簡化需要具備雙開關特性的器件的制備過程，并降低器件的待機功耗，因此碳納米管晶體管適用于溫控、壓控等多種回饋電路中，本發(fā)明實施例在此不做贅述。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供的帶電粒子計數裝置，當磁電感應線圈產生的第一感生電壓大于預設電壓閾值時，也即是加載在碳納米管晶體管的柵極上的電壓大于預設電壓閾值時，碳納米管晶體管的溝道為n型溝道，可用于對帶正電的粒子進行計數，當磁電感應線圈產生的第二感生電壓小于預設電壓閾值時，也即是加載在碳納米管晶體管的柵極上的電壓小于預設電壓閾值時，碳納米管晶體管的溝道為p型溝道，可用于對帶負電的粒子進行計數，因此該帶電粒子計數裝置既可用于帶正電的帶電粒子的計數，也可用于帶負電的帶電粒子的計數，豐富了帶電粒子計數裝置的功能。

本發(fā)明實施例提供了一種帶電粒子計數裝置的制造方法，如圖5所示，該方法可以包括：

步驟501、形成碳納米管晶體管。

步驟502、將碳納米管晶體管的柵極與磁電感應線圈的一端電連接，該磁電感應線圈的另一端接地。

步驟503、將碳納米管晶體管的第一極與模擬數字轉換器電連接。

步驟504、給碳納米管晶體管的第二極加載供電電壓，第一極和第二極分別為源極和漏極中的一個。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供的帶電粒子計數裝置的制造方法，將碳納米管晶體管的柵極與磁電感應線圈的一端電連接，將碳納米管晶體管的源極或漏極與模擬數字轉換器連接，當磁電感應線圈產生的第一感生電壓大于預設電壓閾值時，也即是加載在碳納米管晶體管的柵極上的電壓大于預設電壓閾值時，碳納米管晶體管的溝道為n型溝道，可用于對帶正電的粒子進行計數，當磁電感應線圈產生的第二感生電壓小于預設電壓閾值時，也即是加載在碳納米管晶體管的柵極上的電壓小于預設電壓閾值時，碳納米管晶體管的溝道為p型溝道，可用于對帶負電的粒子進行計數，因此該帶電粒子計數裝置既可用于帶正電的帶電粒子的計數，也可用于帶負電的帶電粒子的計數，豐富了帶電粒子計數裝置的功能。

在本發(fā)明實施例中，以第一極為漏極，第二極為源極為例進行說明。源極上加載的供電電壓的大小可以為-5.1v，由于源極上加載的供電電壓的大小取決于碳納米管晶體管的輸出功率，本發(fā)明實施例對源極上加載的供電電壓的大小不做限定。

可選的，碳納米管晶體管的柵極與磁電感應線圈的一端可以采用鍵合(英文：bonding)的方式連接。

其中，形成碳納米管晶體管的過程，可以包括：

在襯底基板上依次形成柵極圖形、絕緣層、碳納米管薄膜圖形、電子阻擋層、源漏極金屬圖形、保護層和氧化銦錫電極層，所述源漏極金屬圖形包括源極和漏極。

可選的，源漏極金屬圖形可以為厚度為300納米的銅金屬圖形。由于銅是常見的非貴金屬中與碳納米管的功函數相對比較接近的金屬，碳納米管的功函數為4.4ev，銅的功函數為4.65ev，因此當銅金屬圖形與碳納米管薄膜圖形接觸時，銅金屬圖形與碳納米管薄膜圖形之間的功函數差相對較小，能夠降低銅金屬圖形與碳納米管薄膜圖形的接觸面勢壘，易于形成歐姆接觸，也即是可以盡量減少電子傳輸過程中的損耗，提高碳納米管晶體管的靈敏度。

可選的，保護層可以為厚度為100納米的氧化鋁層。由于氧化鋁層的致密性高，可以有效地隔絕空氣中的水氧，保證了碳納米管晶體管的雙極性特性。保護層的材質還可以為氧化硅和/或氮化硅，本發(fā)明實施例對保護層的材質不做限定。

可選的，襯底基板可以為玻璃基板，也可以為硅片或者pi襯底，本發(fā)明實施例對襯底基板的材質不做限定。

示例的，碳納米管晶體管的結構可以參考圖2，具體形成過程可以包括：

s1、采用標準方式清洗襯底基板104，采用濺射金屬鉬的方法在襯底基板104上形成厚度為220納米的柵極層，通過構圖工藝形成柵極圖形101。

s2、利用等離子體增強化學氣相沉積法(英文：plasmaenhancedchemicalvapordeposition；簡稱：pecvd)在形成有柵極圖形101的襯底基板104上沉積氧化硅和氮化硅混合物，形成厚度為100納米的絕緣層105，并通過干刻的方式在絕緣層105上形成與柵極圖形101連接的接觸孔。

s3、采用提拉法在絕緣層105上形成厚度為15納米的碳納米管薄膜層，對碳納米管薄膜層進行一次構圖工藝，形成碳納米管薄膜圖形106。

其中，一次構圖工藝可以包括：光刻膠涂覆、曝光、顯影、刻蝕和光刻膠剝離。

s4、在碳納米管薄膜圖形106上濺射沉積氧化鉬，通過構圖工藝形成電子阻擋層107。

s5、在形成有電子阻擋層107的襯底基板104上濺射沉積厚度為300納米的銅金屬層，通過構圖工藝形成源漏極金屬圖形，該源漏極金屬圖形包括源極103和漏極102。

s6、利用原子層沉積的方式源漏極金屬圖形沉積氧化鋁，形成厚度為100納米的保護層108。

s7、采用沉積的方式在保護層108上形成氧化銦錫電極層109。

需要說明的是，本發(fā)明實施例提供的帶電粒子計數裝置的制造方法步驟的先后順序可以進行適當調整，步驟也可以根據情況進行相應增減，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化的方法，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內，因此不再贅述。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供的帶電粒子計數裝置的制造方法，將碳納米管晶體管的柵極與磁電感應線圈的一端電連接，將碳納米管晶體管的源極或漏極與模擬數字轉換器連接，當磁電感應線圈產生的第一感生電壓大于預設電壓閾值時，也即是加載在碳納米管晶體管的柵極上的電壓大于預設電壓閾值時，碳納米管晶體管的溝道為n型溝道，可用于對帶正電的粒子進行計數，當磁電感應線圈產生的第二感生電壓小于預設電壓閾值時，也即是加載在碳納米管晶體管的柵極上的電壓小于預設電壓閾值時，碳納米管晶體管的溝道為p型溝道，可用于對帶負電的粒子進行計數，因此該帶電粒子計數裝置既可用于帶正電的帶電粒子的計數，也可用于帶負電的帶電粒子的計數，豐富了帶電粒子計數裝置的功能。

所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述方法實施例中的過程，可以參考前述裝置方法實施例中單元的具體工作過程，在此不再贅述。

以上所述僅為本發(fā)明的可選實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。