基于层状材料的压力传感器及压电效应测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于压力传感器技术，特别是关于一种基于层状材料的压力传感器及压电效应测量系统。
【背景技术】
[0002]压力传感器在日常生活和科学技术的各方面都有广泛的应用。作为一种传感器，它能将外力转变成电学，光学，位移等不同的量，进而用来探测力的大小。但是，应用最为广泛的压力传感器多数是用电学量来探测外力的大小和方向。比如，压电式传感器通过测量电介质由于压电效应产生的表面电荷来探测外力的大小；半导体压阻式传感器利用半导体电阻会随形状变化的原理，通过半导体电阻值来计算外力的大小；静电容量型传感器将通过外力使电容可动极变形所产生的电容的变化转换成电气信号，从而通过电气信号检测外力情况。但是，随着科学技术的发展和社会各方面发展的需要，压力传感器被要求用在各种极端的环境下，比如应用在气压探测、分子质量探测等领域。随着对压力传感器性能要求的不断提高，传统的压力传感器已不足以应对。在这种背景下，二维层状材料的出现，给压力传感器领域带了新的曙光。以石墨烯为例，这种新兴的二维碳原子薄膜，表现出了远高于现有材料的机械强度和电学性能。又因为其优异的机电耦合特性，基于二维材料的压电式传感器展现着巨大的潜力。
[0003]压电式传感器是利用某些压电材料的压电效应制造的压力传感器。这些压电材料包括压电单晶(石英晶体)，压电陶瓷(钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷)和有机压电材料(聚偏二氟乙烯)等。这些压电材料的共同特点是，当它们沿一定的方向受到压力而变形时，会在材料内部产生电极化现象，进而使它们的两个相对的表面上带有符号相反的电荷。当外力撤去后，它们又恢复到原来的形状和不带电的状态。
[0004]当压电材料的两个相对表面汇聚异性电荷时，两个表面会呈现一定的电压，并且电压的大小正比于表面电荷量的大小。一般来讲，压电式传感器主要是利用了压电材料的纵向压电效应，压电材料受力后所产生的电荷量和所受的外力大小成正比。因此压电式传感器是通过测量压电材料两个表面间的电压给出作用在传感器上的外力的大小。
[0005]压电效应是压电式传感器的主要工作原理，在交变的外力下，压电元件中不断有新的电荷得到补充，可以为测量电路供给一定的电流，故压电式传感器可以比较好的做动态测量。而在恒定外力下，由于测量回路不可能具有无限大的输入阻抗，所以压电元件表面的电荷很容易泄露，因此压电式传感器并不适用于静态的压力测量。
[0006]由于利用了压电效应原理，存在于压电材料表面的电荷容易泄露，所以此种传感器不适用于恒定力大小的探测。而且压电材料也不能探测到非常微弱的力，所以这种传感器也不能应用到高灵敏压力探测器领域。
[0007]压阻式传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量(如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度)的测量和控制。
[0008]当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迀移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。
[0009]但是压阻式传感器存在如下缺点:温度影响较大(有时需进行温度补偿)、信噪比不高、工艺较复杂和造价高等。
【发明内容】
[0010]本发明实施例提供一种基于层状材料的压力传感器及压电效应测量系统，以减小传感器的体积，并提供灵敏度。
[0011]为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于层状材料的压力传感器，所述的压力传感器包括:
[0012]绝缘层，所述绝缘层上刻蚀有一条沟道；
[0013]二维材料薄膜层，所述二维材料薄膜层的两端横跨所述沟道设置于所述绝缘层上，所述二维材料薄膜层的中间部分悬浮在所述沟道上；在垂直于所述二维材料薄膜层的压力作用下，所述二维材料薄膜层中各原子层之间的间距以及各原子层内原子间的间距发生改变，使得所述二维材料薄膜层的电阻发生改变；
[0014]金属电极层，包括源电极层及漏电极层，所述源电极层设置在所述沟道一侧的所述绝缘层上，并覆盖在所述二维材料薄膜层的一端上；所述漏电极层设置在所述沟道另一侧的所述绝缘层上，并覆盖在所述二维材料薄膜层的另一端上。
[0015]在一实施例中，所述的压力传感器还包括:基底，设置在所述绝缘层下面。
[0016]在一实施例中，所述二维材料薄膜层为石墨烯薄膜晶体或过渡金属硫族化物，如硫化钥、锡化钥等。
[0017]在一实施例中，所述绝缘层为二氧化硅或PMMA等绝缘材料。
[0018]在一实施例中，所述沟道的宽度为3微米。
[0019]在一实施例中，所述绝缘层的厚度为300纳米。
[0020]在一实施例中，所述沟道的深度为250纳米。
[0021]在一实施例中，所述源电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。
[0022]在一实施例中，所述漏电极层由5nm厚的钛及50nm厚的金组成。
[0023]为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于层状材料的压力传感器，所述的压力传感器包括:
[0024]弹性衬底；
[0025]二维材料薄膜层，所述二维材料薄膜层平铺于所述弹性衬底的表面；在垂直于所述二维材料薄膜层表面的压力作用下，所述二维材料薄膜层中各原子层之间的间距以及各原子层内原子间的间距发生改变，使得所述二维材料薄膜层的电阻发生改变；
[0026]金属电极层，包括源电极层及漏电极层，所源电极层压接于所述二维材料薄膜层的一端上，所述漏电极层与所述源电极层对称的压接于所述二维材料薄膜层的另一端。
[0027]为了实现上述目的，本发明实施例提供一种压电效应测量系统，所述的压电效应测量系统包括:压力传感器、原子力显微镜、电压源及电流表，其中，
[0028]所述源电极层连接所述电压源的负极并接地，所述电压源的正极通过电流表连接所述漏电极层；
[0029]成像过程中，所述原子力显微镜的针尖接触所述二维材料薄膜层并施加压力，使所述二维材料薄膜层被拉伸，所述二维材料薄膜层中各原子层之间的间距以及各原子层内原子间的间距发生改变，使得所述二维材料薄膜层的电阻发生改变，利用所述电压源及电流表，通过所述二维材料薄膜层上的金属电极层测量石墨烯薄膜晶体的电阻大小。
[0030]本发明的压力传感器不同于传统的传感器。首先，本发明的传感器以二维材料层作为压电元件，不同于传统压电元件，该压力传感器可以做的非常小。其次，二维材料层的电阻随压力发生变化是材料本征的一种机电性质，和压电式传感器的压电效应完全不同。最后，二维材料层可以探测到非常弱的力，并且给出明确的电信号变化，这使得将本发明的压力传感器应用于需要高灵敏探测性能的领域成为可能。
【附图说明】
[0031]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅