一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器

摘要

本发明涉及一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器，包括原子力显微镜探针(含Pt/It镀层)、Si片和负载于Si片上的B掺杂SiC纳米线。其制备方法为：将有机前驱体进行预处理得到有机前躯体粉末，取有机前躯体粉末和氧化硼粉末为原料；将催化剂形成于柔性衬底上；然后将原料及柔性衬底一起置于气氛烧结炉中，经程序升温进行热解后再经程序降温生长，制备得到B掺杂SiC纳米线。然后将B掺杂SiC纳米线分散于溶剂中形成混合溶液，然后通过该混合溶液将B掺杂SiC纳米线负载于Si片上，制备成一种应变系数高、灵敏度高的B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其涉及一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器，属于传感器技术领域。

背景技术

半导体压力传感器因其尺寸小、消耗低、灵敏度高等优异性能，在微电子机械系统研究中备受关注。随着科技的不断进步发展，人们对拥有大应变系数的高灵敏压力传感器需求日益迫切。目前，国内外的压力传感器多使用硅材料，但硅材料压力传感器难以在恶劣的环境下使用，特别是高温环境(＞250℃)。

低维纳米材料因为其独特的形貌和结构，被认为拥有更大的压阻性能，引起了广泛的关注。目前，人们对C纳米棒、ZnO纳米结构、Si₃N₄纳米带等低维纳米材料的压阻性能做了深入研究。特别是2006年，美国首次报道了Si纳米线拥有大约5000的应变系数，其压阻因子高于其体材料近50倍。进一步证明了以半导体低维纳米材料作为功能单元，有望获得传统体材料无法比拟的高应变系数压阻特性。

SiC是一种重要的第三代半导体材料，其低维纳米结构由于具有高的禁带宽度、高热导率和电子饱和迁移率等优越特性，在发光、场效应晶体管以及力电转换等光电、力电传感器领域具有独特的应用前景。目前，国内外大量的工作报道了SiC低维纳米结构的压阻特性，如Al掺杂SiC纳米线拥有大约79的应变系数，N掺杂SiC纳米线拥有大约46.2的应变系数，SiC纳米薄膜拥有大约30.3的应变系数。

然而，对于B掺杂SiC纳米线压阻特性研究还没有被报道， 且拥有大的应变系数的原子掺杂SiC纳米结构更是鲜有文献报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种应变系数高、灵敏度高的B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器，所述压力传感器包括原子力显微镜探针(含Pt/It镀层)、Si片和负载于Si片上的B掺杂SiC纳米线。

在上述的一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器中，所述B掺杂SiC纳米线为单晶结构。

在上述的一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器中，所述压力传感器的制备方法为：所述压力传感器的制备方法为：将B掺杂SiC纳米线分散于溶剂中形成混合溶液，然后通过该混合溶液将B掺杂SiC纳米线负载于Si片上，制备成压力传感器。

本发明以B掺杂SiC纳米线作为压力传感器的功能单元，在原子力显微镜导电模式下制备成SiC纳米线压力传感器，通过探针施加不同压力，实现不同压力下的电信号检测。

作为优选，所述溶剂为乙醇或去离子水。

在上述的一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器中，所述B掺杂SiC纳米线的制备方法为：将有机前驱体进行预处理得到有机前躯体粉末，取有机前躯体粉末和氧化硼粉末为原料；将催化剂形成于柔性衬底上；然后将原料及柔性衬底一起置于气氛烧结炉中，经程序升温进行热解后再经程序降温生长，制备得到B掺杂SiC纳米线。

在上述的一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器中，所述有机前躯体为含Si和C元素的有机前躯体，进一步优选聚硅氮烷。

在上述的一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器中，所述预处理包括热交联固化和研磨。

作为优选，所述热交联固化在惰性气氛下于200-300℃下进行，保温15-50min。

在上述的一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器中，原料中有机前躯体粉末和氧化硼粉末的质量比为(3-10)：1。

作为优选，所述柔性衬底为碳纤维布。

在上述的一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器中，所述催化剂为Co(NO₃)₂、Fe(NO₃)₃、FeCl₃中的一种或多种。

作为优选，所述催化剂溶于溶剂中形成溶液，催化剂的浓度为0.01-0.1mol/L。

作为优选，所述气氛烧结炉中的热解气氛氩气，纯度为99.99％。

在上述的一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器中，所述程序升温为：先以25-35℃/min升温速率升温到1350-1450℃，然后以20-30℃/min升温速率继续升温至1450-1600℃。

在上述的一种B掺杂SiC纳米线大应变系数高灵敏压力传感器中，所述程序降温为：先以10-15℃/min降温速率降温至1000-1200℃，然后随炉冷却至室温。

本发明通过有机前躯体热解法，以碳纤维布为衬底，实现了B掺杂SiC纳米线的制备。该制备方法制备得到的B掺杂SiC纳米线为单晶结构，具有很高的应变系数，灵敏度很高。采用该B 掺杂SiC纳米线作为压力传感器的功能单元，所施加压力为B掺杂SiC纳米线径向压力，从而实现了大应变系数高灵敏高温压力传感器制备。

与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：

1.本发明通过有机前躯体热解法，以碳纤维布为衬底，实现了应变系数高、灵敏度高的B掺杂SiC纳米线的制备。

2.本发明采用应变系数高、灵敏度高的B掺杂SiC纳米线作为功能单元，实现了大应变系数高灵敏高温压力传感器的制备。

3.本发明制备得到的压力传感器具有很高的应变系数，灵敏度很高。

附图说明

图1为本发明实施例1所制得的B掺杂SiC纳米线的扫面电镜(SEM)图、透射电镜(TEM)图、选区电子衍射(SAED)图及高分辨透射电镜(HRTEM)图；

图2为本发明实施例1所制得的B掺杂SiC纳米线的X射线衍射(XRD)图；

图3为本发明实施例1所制得的B掺杂SiC纳米线能谱(EDX)图；

图4为本发明实施例1所制得的B掺杂SiC纳米线压力传感器结构示意图；

图5为本发明实施例1所制得的B掺杂SiC纳米线压力传感器在不同压力作用下的电流-电阻(I-V)曲线图；

图6为本发明实施例1所制得的B掺杂SiC纳米线压力传感器在不同压力作用下的电阻变化曲线图；

图7为本发明实施例1所制得的B掺杂SiC纳米线压力传感器在不同压力作用下的应变系数变化曲线图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

初始原料选取聚硅氮烷，在Ar气氛保护下于260℃保温30min进行热交联固化。将固化得到的固体装入尼龙树脂球磨罐中，球磨粉碎成粉末。称取300mg的聚硅氮烷和60mg的氧化硼粉末均匀混合后置于石墨坩埚底部。裁取碳纤维布5×5cm(长×宽)，将其沉浸在含有0.05mol/L的Co(NO₃)₂乙醇溶液中，5min后取出自然晾干。将处理后的碳纤维布置于石墨坩埚顶部，并放在石墨电阻加热的气氛烧结炉中。气氛炉先抽真空至10^-4Pa，再充入纯度为99.99％的Ar气，直至压力为一个大气压(～0.11Mpa)，此后压力恒定。先以30℃/min的速率从室温快速升温至1400℃，然后以25℃/min升温速率继续升温至1500℃，随后以13℃/min降温速率降温至1100℃，最后炉冷至室温，制备得到B掺杂SiC纳米线。

将实施例1制备得到的B掺杂SiC纳米线从气氛炉取出，进行测试，测试结果如图所示。

图1(a)为制备的B掺杂SiC纳米线SEM图，表明制备的B掺杂SiC纳米线长约几十微米，表面光滑。图1(b)为其TEM图，表明制备的B掺杂SiC纳米线直径大约为540nm。图1(c)为其选区电子衍射(SAED)，表明B掺杂SiC纳米线沿[111]方向生长，拥有上表面，且为单晶结构。图1(d)为其高分辨透射电镜(HRTEM)图，表明所制备的B掺杂SiC纳米线是沿[111]方向生长且结晶性良好。

图2为制备的B掺杂SiC纳米线的XRD图谱，表明制备材料的相成份为3C-SiC，具有较高的结晶性。

图3为制备的B掺杂SiC纳米线能谱(EDX)图，结果表明 B元素成功的掺杂进SiC纳米线中，且原子比大约为7.18at.％。

然后将B掺杂SiC纳米线超声分散于乙醇溶剂中形成混合溶液，然后将该混合溶液滴洒在Si片上，在原子力显微镜导电模式下制备成B掺杂SiC纳米线压力传感器，通过探针施加不同压力，实现不同压力下的电信号检测。

图4为所构建的B掺杂SiC纳米线压力传感器示意图，从图4可知，本发明压力传感器包括原子力显微镜探针(含Pt/It镀层)、Si片和负载于Si片上的B掺杂SiC纳米线。在原子力显微镜导电模式下，通过探针在径向施加不同压力，在不同应力下测量其I-V特性，以分析其压阻效应。

图5为施加51.7～181.0nN的不同应力下，所测试的I-V曲线，表明B掺杂SiC纳米线表面沿径向具有明显的负压阻效应。

图6为在51.7～181.0nN的不同应力下B掺杂SiC纳米线的电阻变化曲线，表明制备的B掺杂SiC纳米线电阻随着压力的增大在不断增大，表现为负压阻现象。

图7为51.7～181.0nN的不同应力下B掺杂SiC纳米线的应变系数(GF)变化曲线，其应变系数为-53.0～-620.5，表明B掺杂SiC纳米线拥有很高的灵敏度。

在上述实施例及其替换方案中，热交联固化温度还包括但不限于200℃、205℃、210℃、215℃、220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、245℃、250℃、255℃、265℃、270℃、275℃、280℃、285℃、290℃、295℃、300℃；保温时间还包括但不限于15min、20min、25min、35min、40min、45min、50min。

在上述实施例及其替换方案中，聚硅氮烷粉末和氧化硼粉末的质量比还包括但不限于3：1、4：1、6：1、7：1、8：1、9：1、10：1。

在上述实施例及其替换方案中，催化剂的浓度还包括但不限于0.01mol/L、0.02mol/L、0.03mol/L、0.04mol/L、0.06mol/L、 0.07mol/L、0.08mol/L、0.09mol/L、0.1mol/L。

在上述实施例及其替换方案中，催化剂还可以为Fe(NO₃)₃、FeCl₃、Co(NO₃)₂与Fe(NO₃)₃的混合、Co(NO₃)₂与FeCl₃的混合、Fe(NO₃)₃与FeCl₃的混合、Co(NO₃)₂与Fe(NO₃)₃与FeCl₃三种的混合。

在上述实施例及其替换方案中，程序升温过程中，首先的升温速率还包括但不限于25℃/min、26℃/min、27℃/min、28℃/min、29℃/min、31℃/min、32℃/min、33℃/min、34℃/min、35℃/min，升温到的温度还包括但不限于1350℃、1360℃、1370℃、1380℃、1390℃、1410℃、1420℃、1430℃、1440℃、1450℃；其次的升温速率还包括但不限于20℃/min、21℃/min、22℃/min、23℃/min、24℃/min、26℃/min、27℃/min、28℃/min、29℃/min、30℃/min，升温到的温度还包括但不限于1450℃、1460℃、1470℃、1480℃、1490℃、1510℃、1520℃、1530℃、1540℃、1550℃、1560℃、1570℃、1580℃、1590℃、1600℃。

在上述实施例及其替换方案中，程序降温的速率还包括但不限于10℃/min、11℃/min、12℃/min、14℃/min、15℃/min；降温达到的温度还包括但不限于1010℃、1020℃、1030℃、1040℃、1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃、1200℃。

鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近，故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1作为代表说明本发明申请优异之处。

本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处，同样都在本发明要求保护的范围内。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。 本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。