一种基于二硒化钨的微型压阻式应力传感器的制作方法

本发明涉及mems技术领域,特别涉及一种基于二硒化钨的微型压阻式应力传感器，采用二硒化钨作为核心敏感材料，利用其压阻特性进行应力检测。

背景技术：

传统压阻式应力传感器通常采用金属或者硅作为核心敏感材料。金属材料的压阻效应主要依靠自身几何尺寸的改变，因此应变系数非常小，灵敏度差；硅的应变系数远大于金属，但是断裂应变小，在大形变下容易发生断裂，因此能够测量的应力范围较小。

随着微电子工艺的发展，一种基于微机电系统(mems)的微型压阻式应力传感器愈来愈多逐步发展。它的功耗极低、抗干扰能力强、体积小，可实现局部位置应力/应变的精确检测。目前，微型压阻式应力传感器的核心敏感材料主要包括纳米线(纳米管)、石墨烯、聚乙烯等纳米材料。然而这些材料有的制备困难(例如纳米线、纳米管)，不易实现大规模产业化，有的应变系数较小，导致测量应力的灵敏度较差。

二维材料(厚度方向仅有单层原子或少数几层原子的材料)二硒化钨的断裂应变大，抗弯折能力强，可以测量的应力范围大。hosseinimanouchehr等人理论研究表明，二硒化钨的应变系数高(～3000)[hosseinimanouchehr,etal.verylargestraingaugesbasedonsinglelayermose2andwse2forsensingapplications,appliedphysicsletters,2015,107,253503.]，对应力异常敏感，灵敏度高。此外，二硒化钨可以通过化学气相沉积法实现大面积制备，具备大规模生产与实用化的潜力。二硒化钨作为压阻式应力传感器敏感材料的一个理想选择，进而其二硒化钨微型压阻式应力传感器具有良好的应用前景，有望应用于柔性可穿戴式设备，实现人体运动检测、体征指标(呼吸、脉搏)检测等功能。截止目前，尚未见有二硒化钨微型压阻式应力传感器的相关报道。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种基于二硒化钨的微型压阻式应力传感器，利用二硒化钨材料优良的压阻特性和机械特性，即应变系数大且不易断裂，能够提高现有应力传感器的灵敏度与检测范围；由于二硒化钨材料如果长期暴露在空气中，氧气、水蒸汽等中会使其电学特性逐渐退化，因此采用氮化硼作为保护层，覆盖在二硒化钨表面，可以提升二硒化钨压阻式应力传感器的长期稳定性。

为了达到上述目的，本发明是通过以下方法实现的：

一种基于二硒化钨的微型压阻式应力传感器，其特征在于，结构从上到下依次为氮化硼层1-1、金属电极1-2、二硒化钨层1-3和柔性基底1-4；二硒化钨层1-3两端与金属电极1-2相连；二硒化钨层1-3的上表面被氮化硼层1-1完全覆盖。

所述氮化硼层1-1为二维材料，即厚度方向仅有单层原子或少数几层原子，少数几层为1-10层。

所述金属电极1-2材料选用au、ag、cu、al、pt中的任意一种，厚度为20-200纳米。

所述二硒化钨层1-3为二维材料，即厚度方向仅有单层原子或少数几层原子，少数几层为1-10层。

本发明的有益效果是：

(1)传感器具有极高的灵敏度

理论研究表明二硒化钨的应变系数最高可达3000，因此基于二硒化钨的传感器对应力极为敏感，灵敏度高。

(2)传感器可以测量的应力范围大

二硒化钨的断裂应变大(不易断裂)，抗弯折能力强，因此基于二硒化钨的传感器可以测量的应力范围大。

(3)传感器具有优良的长期稳定性

氮化硼保护层覆盖在二硒化钨表面，可以使二硒化钨与空气中的氧气、水蒸汽隔绝，防止其电学特性逐渐退化，能够有效提升应力传感器的长期稳定性。

附图说明

图1为本发明的基于二硒化钨的微型压阻式应力传感器的俯视图，图中，1-1—氮化硼层，1-2—金属电极，1-3—二硒化钨层，1-4—柔性基底。

图2为本发明的基于二硒化钨的微型压阻式应力传感器的侧视图，图中，1-1—氮化硼层，1-2—金属电极，1-3—二硒化钨层，1-4—柔性基底。

图3为本发明的二硒化钨微型压阻式传感器加工流程图。

图4为二硒化钨传感器在未弯曲以及弯曲半径为1cm的电流-电压特性测试结果图。

图5(a)为二硒化钨传感器检测手指关节运动的照片，图5(b)为相应的输出信号。

图6为化学气相沉积法制备大面积二硒化钨的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。

参照图1、图2，一种基于二硒化钨的微型压阻式应力传感器，其特征在于，结构从上到下依次为氮化硼层1-1、金属电极1-2、二硒化钨层1-3和柔性基底1-4；二硒化钨层1-3两端与金属电极1-2相连；二硒化钨层1-3的上表面被氮化硼层1-1完全覆盖；所述二硒化钨层1-3作为传感器核心敏感部件，利用二硒化钨在应力作用下电阻率发生变化的特性进行应力检测。

所述氮化硼层1-1为二维材料，即厚度方向仅有单层原子或少数几层原子，少数几层为1-10层；单层或少数几层原子的氮化硼的材料特性与普通块体氮化硼有显著差异。

所述金属电极1-2材料选用au、ag、cu、al、pt中的任意一种，厚度为20-200纳米。

所述二硒化钨层1-3为二维材料，即厚度方向仅有单层原子或少数几层原子，少数几层为1-10层；单层或少数几层原子的二硒化钨的材料特性与普通块体二硒化钨有显著差异。

参照图3，二硒化钨压阻式应力传感器具体加工与测试流程如下：

(一)二硒化钨制备

采用化学气相沉积法制备大面积二硒化钨。如图6所示，将wo3和se粉末放入石英炉中。并将蓝宝石基底放入石英炉中。首先将石英炉内的本底压强抽至10mtorr，然后向石英炉内通氩气和氢气(80sccm/20sccm)，石英炉内压强保持1torr，生长温度900-1000摄氏度，生长时间10-20分钟。

(二)二硒化钨转移至柔性基底表面并图形化

在二硒化钨表面旋涂一层pdms(聚二甲基硅氧烷)，100摄氏度加热1小时。将涂有pmma的二硒化钨样品放入naoh溶液中刻蚀1小时，使二硒化钨与蓝宝石基底分离；用去离子水将二硒化钨表面的naoh洗净，将二硒化钨转移至柔性聚合物基底1-4表面，采用丙酮将pmma去除。

在柔性聚合物基底表面旋涂一层正性光刻胶(匀胶机转速1000-4000rpm，时间30-90秒)，在热板上90-120℃加热1-2分钟。通过曝光(1-2分钟)，后烘(90-120℃，2-3分钟)，与显影(318显影液中浸泡1-2分钟)使其图形化。采用氩气等离子体干法刻蚀技术将未被光刻胶保护的二硒化钨去除(刻蚀时间1-5分钟)，实现二硒化钨图形化。用丙酮去除光刻胶。

(三)压阻传感器加工

通过光刻在基底表面形成电极形状。在柔性聚合物基底表面旋涂一层负性光刻胶(匀胶机转速1000-4000rpm，时间30-90秒)，在热板上90-120℃加热1-2分钟。通过曝光(1-2分钟)，后烘(90-120℃，2-3分钟)，与显影(rd6显影液中浸泡1-2分钟)使其图形化。采用溅射工艺在基底表面沉积金属层(10纳米钛和50-100纳米厚度的金)。将样品浸泡在丙酮中，并辅助以超声振荡，目的在于去除光刻胶以及光刻胶表面附着的金属(剥离工艺)。通过剥离工艺实现金属层图形化，形成金属电极1-2。采用相沉积法制备的氮化硼。用pmma将化学气相沉积法制备的氮化硼1-1转移至柔性聚合物基底1-4表面。采用光刻与氩气等离子体干法刻蚀技术实现氮化硼图形化。

(四)压阻特性测试

首先采用半导体参数分析仪采集二硒化钨传感器在未受应力的状态下的电流-电压(i-v)特性曲线。将二硒化钨传感器弯曲之后再次采集i-v特性曲线。图4表明i-v发生明显变化，代表二硒化钨电阻值发生变化，由此表明二硒化钨对压力非常敏感，具有压阻特性，该传感器可用于应力检测。

(五)人体运动监测

将二硒化钨传感器固定在食指手指关节部位。当食指产生弯曲时，由于压阻效应，二硒化钨传感器产生相应输出(电阻变化)。二硒化钨传感器的输出量可以实时精确地反映人体该部位的弯曲等运动情况。图5(a)和图5(b)为二硒化钨传感器检测食指关节运动的照片以及输出信号。食指关节先后分别产生三次较小的弯曲、三次中等弯曲、三次较大的弯曲，对应的输出信号幅值可以反映手指关节的弯曲程度。除手指弯曲之外，二硒化钨传感器还可用于检测身体其它部位的运动情况。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。凡在本发明的原理之内所作的任何改进、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。