CN103557944B - 一种低功耗高灵敏度的碳纳米管红外传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低功耗高灵敏度的碳纳米管红外传感器，其为基于碳纳米管（carbon？nano-tube,CNT）与标准硅工艺相结合的微悬臂梁红外探测传感器，该传感器由标准硅工艺设计制造出两个有间距并悬空的微悬臂梁，然后通过介电泳现象，将纳米碳管成功的排列并且搭在相邻的两个微型悬臂梁上方。通过微悬臂梁对红外线反应后的形变带动柔软的纳米碳管的形变而触发其电阻的变化。本发明具有体积小、重量轻、易于量产、低成本、低功耗、高灵敏度等优点。本发明可以和标准的互补金属氧化物半导体（complementary？matal-oxide-semiconductor？transistor,CMOS）读出电路进行单片集成，可以通过大量的阵列应用于红外成像。

Description

一种低功耗高灵敏度的碳纳米管红外传感器

技术领域

本发明涉及一种体积小、重量轻、易于量产、低成本、低功耗、高灵敏度的碳纳米管红外传感器，可以通过大量的阵列应用于红外成像。

背景技术

红外传感器主要有两种结构类型：bolometer型和微悬梁型。其中bolometer型的红外传感器的制作工艺比较复杂，同时与标准的硅工艺不完全兼容，导致其量产中的生产成本高于微悬梁型红外传感器。普通的微悬梁传感器为单悬梁结构，在梁的顶端下面连接一个电容检测组件。通过红外光照射后，悬梁产生的形变使梁与基底之间的电容发生变化，从而利用其电容检测组件得出其测量结果。此方法解决了bolometer结构在量产时高成本方面的缺陷，但是其灵敏度由于受到了电容传感的限制而降低。

另一方面，碳纳米管的产生引起了各个研究领域的关注并对其进行研究与性能评价，其中一项有关碳纳米管电阻变化特性的研究发现碳纳米管在发生弯曲形变、挤压形变以及拉伸形变时，其电阻变化非常明显。此特性被应用在本发明中，作为红外传感器的反应机构的核心部分。除此之外，碳纳米管本身也对红外光有着一定的反应，并且其反应为随着红外光的增强，电阻值减小，这与使其弯曲达到的效果一致，因而可进一步的增加其反应灵敏度。同时，在纳米技术发展的同时，对于微纳物体的动态控制也有了很大的进展。其中介电泳现象在纳米技术的应用领域已经成熟，主要应用于细胞的分离、纳米颗粒的定向排列等。在此技术的支撑下，本发明所提出的基于碳纳米管的红外传感器的制作成为可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于碳纳米管（carbonnano-tube,CNT）与标准硅工艺相结合的微悬臂梁红外探测传感器，该传感器是一种体积小、重量轻、易于量产、低成本、低功耗、高灵敏度的碳纳米管红外传感器。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种低功耗高灵敏度碳纳米管红外传感器，由电阻反应层、微悬梁上层、微悬梁下层、基底连接层、基底层组成，电阻反应层搭接在两个微悬梁下层之间的狭缝处，微悬梁上层附在微悬梁下层的上面，微悬梁下层大部分面积为悬空，两端附在基底连接层上面，基底连接层在基底层上面，与微悬梁上层相比，微悬梁下层两端略长，中间部分与微悬梁上层重合，并通过基底连接层形成微悬梁结构，微悬梁下层的根部没有被微悬梁上层所覆盖的部分作为电极用于整个结构的电阻测量，同时，微悬梁下层的顶端没有被微悬梁上层所覆盖的部分作为电阻反应层的连接部。

进一步的，所述的电阻反应层是由大量的碳纳米管排列、汇聚形成，在范德华力的作用下，通过碳纳米管特有的柔性与导电特性，形成一种特有的柔软电阻薄膜。

进一步的，所述的微悬梁上层由氮化硅材料制成，并且其厚度需要优化，当红外光照射时不仅要保证一定的能量吸收，还需要保证一定的光透过率。

进一步的，所述的微悬梁下层由铝材料制成，并且其厚度需要优化，需要保证在红外光照射时不仅要保证一定的能量吸收，还需要保证一定的安全形变。

进一步的，所述的基底连接层由氧化硅材料制成。

进一步的，所述的基底层由硅材料制成。

本发明技术方案的原理是：

基于微悬梁结构的红外传感器，根据图1所示，微悬梁上层2与微悬梁下层3分别由热膨胀系数不同的氮化硅与铝箔制作而成。同时，微悬梁上层2要求当红外光照射在本器件表面时保证一定的光透过率。进而使微悬梁下层3也由于红外光照射而吸收热量发生形变。在此条件下，由于微悬梁上层2与微悬梁下层3热膨胀系数的不同，微悬梁发生向上方向的形变。此形变会导致横跨于微悬梁上层2的电阻反应层1发生形变，进而导致其电阻的变化。由于电阻反应层1是由大量的碳纳米管通过排列而形成，增加了其灵敏度。除此之外，碳纳米管本身也对红外光有着一定的反应，并且其反应为随着红外光的增强，电阻值减小，这与使其弯曲达到的效果一致，因而进一步的增加了其反应灵敏度。根据图2所示，碳纳米管层阻值的测量通过微悬梁下层3根部露出的部分进行测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明由于采用标准半导体工艺，由于此器件可以和标准的互补金属氧化物半导体（complementarymatal-oxide-semiconductortransistor,CMOS）读出电路进行单片集成，因此具有可集成、低功耗、体积小、重量轻的优点。

2、同时，碳纳米管的制作技术以及介电泳微纳物质排列技术已经成熟，通过控制纳米碳管在稀释液里面的浓度与介电泳的时间、电压以及频率即可控制纳米碳管层在量产过程中的均一性，使其具有低成本、高量产度的优点。

3、更主要的，通过纳米碳管的高反应能力以及通过大量纳米碳管的排列达到的倍增效果，实现高灵敏度的特点。

附图说明

图1为本发明的截面图；

图2为本发明的俯视图；

图3为多种碳纳米管对红外光的反应比较；

图4为碳纳米管排列后的显微镜照片；

图5为微悬梁形变表示图（a）形变前，（b）形变后；

图6为碳纳米管形变表示图（a）形变前，（b）形变后；

图7为微悬梁仿真实验结果；

图8为本发明的数据获取流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1、2所示，为本发明技术解决方案包括由电阻反应层1、微悬梁上层2、微悬梁下层3、基底连接层4、基底层5组成，电阻反应层1搭接在两个微悬梁下层3之间的狭缝处，微悬梁上层2附在微悬梁下层3的上面，微悬梁下层3大部分面积为悬空，两端附在基底连接层4上面，基底连接层4在基底层5上面。与微悬梁上层2相比，微悬梁下层3两端略长，中间部分与微悬梁上层2重合，并通过基底连接层4形成微悬梁结构。微悬梁下层3的根部没有被微悬梁上层2所覆盖的部分作为电极用于整个结构的电阻测量。同时，微悬梁下层3的顶端没有被微悬梁上层2所覆盖的部分作为电阻反应层1的连接部。

上述本发明所用的电阻反应层1是由大量的碳纳米管在介电泳的效果下定向排列、汇聚形成。微悬梁上层2是通过化学蒸汽沉积法制成的氮化硅材料。微悬梁下层3是由蒸汽沉积法形成的铝箔。基底连接层4是利用硅基底氧化并通过蚀刻的方法制成。基底层5是由硅晶片制成。

首先通过化学蒸汽沉积法在基底层5上面形成一层氧化硅，然后利用蒸汽沉积法制成铝箔并通过漏光方法形成微悬梁下层3，接着通过化学蒸汽沉积法制成氮化硅层并再次通过漏光方法形成微悬梁上层2。下一步是电阻反应层1的制备。在制备之前，通过实验比较得知单层纳米碳管对与红外光的反应最为强烈，如图3，因此应用在本发明中。通过介电泳现象利用电压及频率的调节以及碳纳米管溶液浓度的调节将大量的碳纳米管整齐的排列在器件中心并搭在微悬梁下层3的两端上，如图4。最后利用蚀刻的方法将基底层5的中心部位上方的基底连接层4蚀刻，使微悬梁下层3悬空，从而形成本发明所提出的器件。

本发明在具体实施过程中，由于传感能力是由碳纳米管的阻值变化而决定，因此，微悬梁上层2与微悬梁下层3的弯曲变化幅度是该器件测量的基础指标。进而可知，微悬梁上层2与微悬梁下层3的厚度的优化是及其重要的。其优化途径可利用下列公式实现：

$S_p=\frac{{\mathrm{\δ}\′}_p}{P}=2(a_1-a_2)\left(\frac{t_1+t_2}{t_2^{2}K}\right)\frac{L^3}{W({\mathrm{\λ}}_1{t}_1+{\mathrm{\λ}}_2{t}_2)}\mathrm{\η}$

其中，t1为微悬梁上层2（氮化硅）厚度，t2为微悬梁下层3（铝箔层）厚度，λ1为微悬梁上层2的热传导率，λ2为微悬梁下层3的热传导率，W为微悬梁的宽度，K为微悬梁下层3的介电常数，a1为微悬梁上层2的热传导系数，a2为微悬梁下层3的热传导系数，P为红外放射功率，δ为微悬梁上层2与微悬梁下层3形变量如图5所示，η为红外吸收系数。碳纳米管形变前后示意图如图6所示。

通过有限元仿真，得出如图7结论。该结论说明：1.本发明中微悬梁下层3使用金属铝（Al）箔的形变效果要大大优于使用金（Au）箔与铬（Cr）箔；2.在本发明中微悬梁上层2与微悬梁下层比约为0.3时，微悬梁具有最大形变。同时，考虑到红外透射率与反射率的问题，经过仿真确定其具体参数如表1所示。有效微悬梁长120μm、宽5μm、微悬梁上层（氮化硅）厚度0.7μm、微悬梁下层（铝箔）层厚度0.2μm，有效碳纳米管长度5μm。

表1

本发明的数据获取过程如图8所示，首先在无光照并保证没有外界热变化影响的情况下，通过在电极处输入电压与电流读出并保存测得的电阻反应层1的阻值，并作为标准值。然后，将器件放于红外光照下，并测出此时的电阻反应层1的阻值。将该结果与最初的到的结果进行比较并得到其差值。根据此差值判断红外的强度并通过输出部分进行输出。具体步骤如下：

步骤1）、在无光照时，通过输入电压与电流读出并保存碳纳米管层阻值作为标准值；

通过在电极处（在基底连接层4上面，微悬梁下层3多出微悬梁上层2的部分）输入电压与电流读出并保存所测得的电阻反应层1的阻值，并作为标准值ref。

步骤2）、将器件暴露于红外光照下；

步骤3）、测出此时碳纳米管层的阻值并与标准比较、保存；

步骤4）、确定与标准值之间的差值；

具体的，步骤2）将本发明器件放于待测红外光照下，并在步骤3）测出此时的电阻反应层1的阻值，并作为测量值。将该结果与最初得到的结果进行比较并得到其差值Δa。

步骤5）、根据差值判断红外光的强度；

步骤6）、结果在输出端表示

具体的，步骤5）根据此差值Δa利用公式R=ref+Δa×S_p判断红外的强度并在步骤6）通过输出与显示模块进行输出（R为结果值）。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种低功耗高灵敏度的碳纳米管红外传感器，其特征在于：由电阻反应层(1)、微悬梁上层(2)、微悬梁下层(3)、基底连接层(4)、基底层(5)组成，电阻反应层(1)搭接在两个微悬梁下层(3)之间的狭缝处，微悬梁上层(2)附在微悬梁下层(3)的上面，微悬梁下层(3)大部分面积为悬空，两端附在基底连接层(4)上面，基底连接层(4)在基底层(5)上面，与微悬梁上层(2)相比，微悬梁下层(3)两端略长，中间部分与微悬梁上层(2)重合，并通过基底连接层(4)形成微悬梁结构，微悬梁下层(3)的根部没有被微悬梁上层(2)所覆盖的部分作为电极，用于整个结构的电阻测量，同时，微悬梁下层(3)的顶端没有被微悬梁上层(2)所覆盖的部分作为电阻反应层(1)的连接部；

所述的电阻反应层(1)是由大量的碳纳米管排列、汇聚形成，在范德华力的作用下，通过碳纳米管特有的柔性与导电特性，形成一种特有的柔软电阻薄膜。

2.根据权利要求1所述的低功耗高灵敏度的碳纳米管红外传感器，其特征在于：所述的微悬梁上层(2)由氮化硅材料制成，并且其厚度需要优化，当红外光照射时不仅要保证一定的能量吸收，还需要保证一定的光透过率。

3.根据权利要求1所述的低功耗高灵敏度的碳纳米管红外传感器，其特征在于：所述的微悬梁下层(3)由铝材料制成，并且其厚度需要优化，需要保证在红外光照射时不仅要保证一定的能量吸收，还需要保证一定的安全形变。

4.根据权利要求1所述的低功耗高灵敏度的碳纳米管红外传感器，其特征在于：所述的基底连接层(4)由氧化硅材料制成。

5.根据权利要求1所述的低功耗高灵敏度的碳纳米管红外传感器，其特征在于：所述的基底层(5)由硅材料制成。