专利名称：一种基于石墨烯片层的纳机电谐振式传感器及其制作方法
一种基于石墨烯片层的纳机电谐振式传感器及其制作方法技术领域
本发明属于纳机电系统(NEMS)应用领域，特指一种用于超小质量检测的纳机电谐振式传感器及其制作方法。
背景技术：
对于机械电子式谐振器而言，系统的固有频率(Λ =)随刚度影响系数A的增大而增大，随有效质量的减小而增大。提高谐振频率的方法主要是通过降低系统的质量和提高弹性刚度，而弹性刚度与梁的杨氏模量万成正比。石墨烯是目前发现的具有二维结构的材料，其单层厚度只有0.35 nm，杨氏模量 .OGPa ,有效质量 eff极小，符合提高谐振频率的要求。
已有的纳机电谐振式传感器基本上是基于硅材料制备的，其制作方法是在单晶硅悬臂梁上掺杂形成电阻层，利用悬臂梁振动时受力变化引起电阻层阻值的改变的原理来确定谐振频率。这种方法制备的单晶硅掺杂电阻变化小，适用于对灵敏度低、测试精度要求不高的场合。
目前的石墨烯片纳机电谐振式传感器一般采用背栅结构，其制备方法是将石墨烯片悬置在Si/Si02上的沟槽上，Si衬底作为栅极，石墨烯作为沟道。目前，石墨烯片纳机电谐振式传感器的激励和检测方法有两种一种是光学激励与光杠杆检测，另一种是静电激厉力与电学检须Ij°文献[Bunch JS ,et al. Electromechanical resonators from graphene sheets, Science, 2007, 315:490]采用光学激励与光杠杆检测的方法对石墨烯片谐振器进行了研究，但这种方法光路设计复杂，在实际应用中很难得到推广。文献[Chen C, et al. Performance of monolayer grapheme nanomechanical resonators with electrical readout. Nature Nano techno logy, 2009,4,861-867]提到的石墨烯片谐振器存在低通滤波现象，测试时需对外部电路进行混频设计，电路复杂。此外，悬置的石墨烯片基本上是采用机械剥离获得的，该方法产量低、随机性大，不利于大规模、批量化生产。发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，在不影响检测精度的前提下，极大地降低检测电路的复杂程度而提供一种具有质量小、功耗低、灵敏度高和成本低的基于石墨烯片层的纳机电谐振式传感器，本发明同时还提供该纳机电谐振式传感器的制作方法。
本发明基于石墨烯片层的纳机电谐振式传感器采用的技术方案是；具有一块 P-Si衬底，P-Si衬底上连接背栅电极，P-Si衬底上设有漏极-N型掺杂区和源极-N型掺杂区，漏极-N型掺杂区上设有漏极电极，源极-N型掺杂区上设有源极电极，在P-Si衬底表面上且位于漏极-N型掺杂区和源极-N型掺杂区的正中间安置两个SW2锚区，石墨烯两端固支梁的两端分别悬于两个SW2锚区上，石墨烯两端固支梁的一端上设置一个与其相连接的顶栅电极。
上述基于石墨烯片层的纳机电谐振式传感器的制作方法的技术方案是采用如下步骤；①在P-Si衬底上热氧化生长300 nm的SW2 ；②在SW2上淀积石墨烯片层。裁剪石墨烯，光刻和刻掉石墨烯下的Sio2，形成两个Sio2锚区；孓用离子注入法在P-^d 底中形成漏极-N型掺杂区和源极-N型掺杂区，使得漏极-N型掺杂区和源极-N型掺杂区分别位于两个SiOjg区两侧；⑤在P-Si衬底上分别溅射背栅电极、漏极电极和源极电极，并在石墨烯上溅射顶栅电极；⑥通过缓冲氧化物刻蚀剂对3102刻蚀，形成悬置的石墨烯两端固支梁。
本发明采用上述技术方案具有的有益效果是1、本发明采用性能优异、成本低的石墨烯材料来制作超小质量检测的纳机电谐振器两端固支梁，将石墨烯两端固支梁和场效应有机地结合起来，利用梁的振动引起电场的变化来确定谐振器的谐振频率。2、带有内部自放大功能，能将微弱的谐振信号直接放大成可用于检测的电压信号，避免了外接有源电路，使电路简化。3、顶栅电极和漏源电极不在同一平面内，消除了由于寄生电容引起的低通滤波现象。4、石墨烯材料采用化学汽相沉积法(CVD)制备，所得到的石墨烯片面积大、质量高、可控性强。5、采用与CMOS兼容的表面微机械技工方法，具有质量小、功耗低、灵敏度高和成本低等优点，尤其适用于超小质量的化学物质检测。
图1是本发明基于石墨烯片层的纳机电谐振式传感器的结构图，图Ia是主视图； 图Ib是图Ia的左视图；图2是图1中的纳机电谐振式传感器的制作流程图，依次按图2 a 图加的顺序制作；图3是图1中纳机电谐振式传感器的工作原理图；1. P-Si衬底；2.与P-Si衬底相连接的背栅电极；3.漏极-N型掺杂区；4.漏极电极； 5. SiO2锚区；6.顶栅电极；7.源极电极；8.源极-N型掺杂区；9.石墨烯两端固支梁；10. P 型衬底中的反型层。
具体实施方式
本发明基于石墨烯片层的纳机电谐振式传感器的结构如图1所示。具有一块杂质浓度较低的P型硅片作为衬底，即P-Si衬底1，在P-Si衬底1上设有两个N+区，即漏极-N 型掺杂区3和源极-N型掺杂区8，在P-Si衬底1表面上，并且位于漏极-N型掺杂区3和源极-N型掺杂区8的正中间安置两个SW2锚区5，在两个SW2锚区5上是一个石墨烯两端固支梁9，石墨烯两端固支梁9的两端分别悬在两个SiO2锚区5上，在石墨烯两端固支梁 9的一端上设置一个与石墨烯两端固支梁9相连接的顶栅电极6。漏极电极4和源极电极 7分别位于漏极-N型掺杂区3和源极-N型掺杂区8上，背栅电极2直接连接在P-Si衬底 1上。这种结构的纳机电谐振式传感器具有双栅极结构，以石墨烯作为顶栅，以P-Si衬底1 作为背栅，顶栅石墨烯还兼作谐振梁。
参见图2，图1所示的纳机电谐振式传感器按以下方法制作①在杂质浓度较低的P-Si衬底1上，热氧化生长300 nm的SiO2,图加。
通过化学汽相沉积法(CVD)，在SW2上淀积石墨烯片层，图2b。4
③用氧等离子刻蚀技术裁剪石墨烯，用光刻和刻蚀技术去掉石墨烯下与石墨烯不重叠的SiO2,形成两个SiA锚区5，图2c。
m用离子注入法在P-Si衬底1中形成两个高掺杂的漏极-N型掺杂区3和源极-N 型掺杂区8，使得漏极-N型掺杂区3和源极-N型掺杂区8分别位于两个SiO2锚区5两侧， 图2d。
⑤在P-Si衬底1上分别溅射TiW- 5 nm /Au- 100 nm电极，即与P-Si衬底相连接的背栅电极2、漏极电极4和源极电极7，并在石墨烯上溅射顶栅电极6，图2e。
⑥通过缓冲氧化物刻蚀剂(Buffered oxide etch，B0E)对SiO2进行刻蚀，形成悬置的石墨烯两端固支梁9，最后，用临界点干燥机(Critical Point Dryer，CPD)把整个器件从液态的环境中转移到空气中，最终形成如图1所示的纳机电谐振式传感器。
图3为本发明纳机电谐振式传感器的工作原理图。在静态状态下，即交流电压δ Vg =0，由于石墨烯为零带隙材料，表现为金属性。半导体硅在掺杂的情况下，其导电性显著增强，也表现为金属性。在与P-Si衬底1相连接的背栅电极2和顶栅电极6之间加直流电压 ^，则石墨烯两端固支梁9和p-Si衬底(1)就构成电容的两极，在两极之间形成电场。该电场排斥P-Si衬底1内的多子空穴，同时吸引其中的少子电子，使电子向上表面运动，空穴向下运动。当直流电压&增大到一定数值后，在p-Si衬底1上表面形成一个由少子电子组成的N型薄层，这里，该薄层被称为p-Si衬底中的反型层10。当直流电压&达到门槛电压& αω后，Ks越大，电场越强，P-Si衬底中的反型层10越厚，漏极-N型掺杂区3和源极-N型掺杂区8间的电阻就越小。当在漏极-N型掺杂区3、源极-N型掺杂区8上的漏极电极4、源极电极7上加电压Kds时，将形成电流Jds。
在至少有个电容器平板是悬吊或可变形的情况下，电容器可以用作产生力或位移的执行器。本发明中的石墨烯两端固支梁9满足这一要求，在石墨烯两端固支梁9和p-Si 衬底1构成的电容的两极上施加电压&后，石墨烯两端固支梁9将在静电力作用下发生弯曲，从而使石墨烯两端固支梁9和p-Si衬底1之间的距离χ发生变化。
在动态情况下，即在背栅电极2和顶栅电极6之间施加频率为f的交流电压< 、，漏极电极4、源极电极7之间施加直流电压Kds，石墨烯两端固支梁9和p-Si衬底1之间的静电力将以相同的频率/变化，进而驱动石墨烯两端固支梁9以相同的频率/振动。墨烯两端固支梁9周期性振动，使得石墨烯片与p-Si衬底1间的电场A周期性变化，反型层10 的厚度也出现周期性变化，最终使得通过反型层10的电流Jds以频率/周期性变化。
当交流电压巧变化频率f与石墨烯两端固支梁9的固有振动频率&相同时，石墨烯两端固支梁9发生谐振，在此情况下，其振幅Δχ将达到最大。从而电场A的变化幅度巉最大。进而，电流Zds的变化幅度4达到最大。从而确定了传感器的谐振频率&。这种方法使得微小的机械振动信号转变成可观测的电流信号，具有内部自放大功能。
当石墨烯上吸附质量超小的化学物质时，谐振频率&将发生变化。通过测量频率的变化值Af可间接知道化学物质的质量。
权利要求
1.一种基于石墨烯片层的纳机电谐振式传感器，具有一块P-Si衬底(1)，P-Si衬底 (1)上连接背栅电极(2)，其特征是；P-Si衬底(1)上设有漏极-N型掺杂区(3)和源极-N 型掺杂区(8)，漏极-N型掺杂区(3)上设有漏极电极(4)，源极-N型掺杂区(8)上设有源极电极(7)，在P-Si衬底(1)表面上且位于漏极-N型掺杂区(3)和源极-N型掺杂区(8)的正中间安置两个SiO2锚区(5)，石墨烯两端固支梁(9)的两端分别悬于两个SiO2锚区(5)上， 石墨烯两端固支梁(9 )的一端上设置一个与其相连接的顶栅电极(6 )。
2.—种权利要求1所述基于石墨烯片层的纳机电谐振式传感器的制作方法，其特征是采用如下步骤；①在P-Si衬底(1)上热氧化生长300nm的SW2 ；②在SW2上淀积石墨烯片层；③裁剪石墨烯，光刻和刻掉石墨烯下的SiO2，形成两个SiO2锚区(5)；④用离子注入法在P-Si衬底(1)中形成漏极-N型掺杂区(3)和源极-N型掺杂区(8)， 使得漏极-N型掺杂区(3)和源极-N型掺杂区(8)分别位于两个SW2锚区(5)两侧；⑤在P-Si衬底(1)上分别溅射背栅电极(2)、漏极电极(4)和源极电极(7)，并在石墨烯上溅射顶栅电极(6);Φ通过缓冲氧化物刻蚀剂对S^2刻蚀，形成悬置的石墨烯两端固支梁(9)。
全文摘要
本发明公开一种基于石墨烯片层的纳机电谐振式传感器及其制作方法，P-Si衬底上设有漏极-N型掺杂区和源极-N型掺杂区，漏极-N型掺杂区上设有漏极电极，源极-N型掺杂区上设有源极电极，在P-Si衬底表面上且位于漏极-N型掺杂区和源极-N型掺杂区的正中间安置两个SiO2锚区，石墨烯两端固支梁的两端分别悬于两个SiO2锚区上，石墨烯两端固支梁的一端上设置一个与其相连接的顶栅电极；利用梁的振动引起电场的变化来确定627谐振器的谐振频率，能将微弱的谐振信号直接放大成可用于检测的电压信号，避免了外接有源电路，使电路简化，能消除了由于寄生电容引起的低通滤波现象，尤其适用于超小质量的化学物质检测。
文档编号G01H11/06GK102538949SQ20111041377
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者张艳敏, 张进, 杨晓丹, 王权, 胡然, 邵盈 申请人:江苏大学