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专利名称：氧化锌纳米杆压力传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种ZnO纳米杆压力传感器及其制备方法，属于纳米器件领域。
背景技术：
ZnO材料具有优良的压电性能，在压电方面具有重大的应用前景，如压电发动机 和压电压力传感器。最近这些年来，以ZnO块材料(CN100488914)、薄膜材料(Kuoni A, Holzherr R, Boillat, et al. 2003 J. Micromech. Microeng. 13 S103)、纳米材料(Zhou J, Gu YD, Fei P, Mai ff J, Gao Y F, Yang R S, Bao G, Wang Z L 2008 Nano Lett. 8 3035)为基础的压力传感器发展的很快。在这些材料中，基于以下原因ZnO纳米杆具有 很大的优势制作的简便，高的比表面积和长径比，限制在二维尺度的载流子等等。但是，就 目前来说，将这些纳米材料做成高灵敏度的压力器件仍然存在着很大的挑战。一方面，缺乏 简易实用的制备工艺将纳米材料做进工作器件。比如，较普遍的“拿起和放下”，纳米材料 先被从最先生长的衬底上剥离，再随机的散布于最后制作器件的绝缘衬底上。在这个过程 中包含一些较复杂的工艺如光刻、电子束曝光、聚焦离子束等等。虽然这种方法提供了一 种对纳米材料进行基础研究的方法，但这些冗繁复杂的工艺在实际应用上无疑会成为重大 障碍。另一方面，传统方法仅仅依靠材料本身的压电性能，导致器件的响应不高，具体表现 在压力对电流的控制不大，一般的报导开关比在10以下，报导最大的也不过120 (Zhou J, Fei P, Gu Y D, Mai ff J, Gao Y F, Yang R S, Bao G, Wang Z L, 2008 Nano Lett. 8 3973)。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度ZnO纳米杆压力传感器及其制 备方法，该方法工艺简单、成本低廉，可大面积制备水平生长的ZnO阵列，且制备的ZnO纳米 杆具有良好的衬底附着力和稳定优良的压力传感性能。本发明提供的技术方案是
一种氧化锌纳米杆压力传感器，包括不导电的柔性衬底、种子层、两金属电极和氧化锌 纳米杆阵列；所述种子层沉积于柔性衬底上，所述金属电极沉积于种子层上，所述氧化锌纳 米杆阵列生长于种子层上并且平行于衬底排列，两种子层上生长出的ZnO纳米杆之间保持 亚稳态的接触。所谓亚稳态的接触即接触不是固定的，而直接受到外在压力变化的影响。具有附加技术特征的进一步的技术方案是
所述不导电的柔性衬底为Kapton (聚酰亚胺)、PET (聚对苯二甲酸类塑料)、或Teflon (聚四氟乙烯)。所述种子层为氧化锌、掺铝的氧化锌或金，也可以为其他常用的种子层材料，其厚 度为30 300nm。所述金属电极为锡、铬或掺二氧化锡的三氧化二铟电极，其厚度为5 50nm。
所述金属电极之间的距离为1 30微米。本发明还公开了上述氧化锌纳米杆压力传感器的制备方法 一种制备氧化锌纳米杆压力传感器的制备方法，依次包括如下步骤
步骤一，利用传统光刻工艺在柔性衬底上做出两电极的光刻胶掩膜，或者利用金属掩 膜作掩膜；
步骤二，用对氧化锌具有亲和性的材料在柔性衬底上沉积一层薄膜作为种子层，得到 两电极形状的薄膜；
步骤三，用对氧化锌不具有亲和性的材料在柔性衬底上再沉积一层图形化钝化层薄 膜，它们同时也作为电极；
步骤四，以高压反应釜作为反应容器，使用含有锌离子的碱性反应溶液，将衬底正面朝 下置于液面处，密封后置于烘箱中65 140°C下保温反应1 3h，反应后将衬底用去离子 水漂洗，烘干，得到水平生长的ZnO纳米杆阵列；
步骤五，从两电极上接出导线并利用旋涂的方法在样品上涂敷一层PDMS (聚二甲基硅 氧烷)薄膜进行封装。具有附加技术特征的进一步的技术方案是
所述柔性衬底为不导电的Kapton (聚酰亚胺)、PET (聚对苯二甲酸类塑料)、或Teflon (聚四氟乙烯)。所述对氧化锌具有亲和性的材料为氧化锌、掺铝的氧化锌或金。所述对氧化锌不具有亲和性的材料为锡、铬或掺二氧化锡的三氧化二铟(IT0)。所述两电极距离为1 30微米，且后续的水热法溶液浓度及反应时间与该距离直 接相关，随着间距的增加，对应溶液浓度及反应时间也有相应的增加。本发明利用了水热法的生长机制，在种子层上沉积钝化层，从而可以让ZnO纳米 杆只生长于电极边缘侧面的种子层上，由于纳米杆生长的空间竞争，导致大部分纳米杆平 行于衬底生长。两边电极上的纳米杆向中间生长以致连接，于是就构成了一个纳米杆压力 传感器。本发明传感器通过引入了两边生长出的ZnO纳米杆之间这一亚稳态的接触(该 接触在一定程度上受压力的控制)，加上ZnO材料本身优良的压电性能，获得了很高的灵敏 度。例如在无压力状态下与压力状态下的电流比为107量级(所加偏压为2伏，所施压力为 1.4%)。而一般文献的报导中这一数值不会超过103量级。并且本发明传感器有较好的灵 敏取向性只对拉伸力有较高的灵敏度，而对反方向的压缩力无较大灵敏度。总之，本发明 传感器具有优良的压力传感性能。本发明的纳米传感器阵列的敏感性能优于其它单纯依靠 材料压电性能的压力传感器。目前大部分报导中，利用ZnO纳米线形成类似的器件主要包括以下方法先通过 某种方法(CVD，水热法，VLS等)生长好纳米线，在将纳米线从衬底剥离，再涂敷于电极之间， 最后形成器件；先通过某种方法(湿法刻蚀，反应离子刻蚀等方法)在衬底上刻蚀出沟道，再 在沟道间生长纳米线，最后形成器件。相比于这两种方法，本发明的制备方法另辟蹊径，简 化了工艺，节省了成本，一次就位的工艺也保证了器件的性能。本发明方法工艺简单、成本 低廉，可大面积制备ZnO纳米传感器阵列。


图1是制备ZnO纳米杆水平阵列的过程示意图，其中1为衬底，2为钝化层及电 极，3为氧化锌种子层，4为氧化锌纳米杆；
图2是实施例1所制备的ZnO纳米杆压力传感器在不同压力下的电流电压曲线； 图3是实施例2所制备的ZnO纳米杆压力传感器在不同压力下的电流电压曲线； 图4是实施例3所制备的ZnO纳米杆压力传感器在不同压力下的电流电压曲线。
具体实施例方式如图1所示，本发明公开了一种氧化锌纳米杆压力传感器，包括不导电的柔性衬 底1、种子层3、两金属电极2和氧化锌纳米杆阵列4 ；所述种子层沉积于柔性衬底上，所述 金属电极沉积于种子层上，所述氧化锌纳米杆阵列生长于种子层上并且平行于衬底排列， 两种子层上生长出的ZnO纳米杆之间保持亚稳态的接触。本发明还公开了上述氧化锌纳米杆压力传感器的制备方法 一种制备氧化锌纳米杆压力传感器的制备方法，依次包括如下步骤
步骤一，利用传统光刻工艺在柔性衬底上做出两电极的光刻胶掩膜，或者利用金属掩 膜作掩膜；
步骤二，用对氧化锌具有亲和性的材料在柔性衬底上沉积一层薄膜作为种子层，得到 两电极形状的薄膜；
步骤三，用对氧化锌不具有亲和性的材料在柔性衬底上再沉积一层图形化钝化层薄 膜，它们同时也作为电极；
步骤四，以高压反应釜作为反应容器，使用含有锌离子的碱性反应溶液，将衬底正面朝 下置于液面处，密封后置于烘箱中65 140°C下保温反应1 3h，反应后将衬底用去离子 水漂洗，烘干，得到水平生长的ZnO纳米杆阵列；
步骤五，从两电极上接出导线并利用旋涂的方法在样品上涂敷一层PDMS (聚二甲基硅 氧烷)薄膜进行封装。下面通过具体实施例来详细说明本发明。当样品收到应力的作用时，测量两电极 间的电流电压特性时即可得到器件的响应。实施例1
在本例中，以PET为衬底，以传统光刻掩模为例来说明。具体步骤如下
1.采用传统的半导体工艺清洗基片；
2.使用传统光刻工艺在玻璃衬底上作一层光刻胶的掩膜；
3.在玻璃衬底上沉积一层300nm的ZnO薄膜做种子层；
4.再在衬底上沉积一层50nm的Sn薄膜做钝化层，同时也作为电极；
5.使用传统去光刻胶的方法洗去光刻胶，得到所需的电极；
6.采用有聚四氟乙烯内衬的高压水热反应釜为反应容器，反应溶液为浓度为 0. 0125mol/L的醋酸锌和六亚甲基四氨的水溶液。将样品正面朝下水平置于反应釜中的液 面下接近液面处，将高压釜至于恒温箱中，95°C保持二个小时；
7.将样品取出，用去离子水漂洗，烘干，得到所需的样品；
8.从两电极上接出导线并利用旋涂的方法在样品上涂敷一层PDMS(聚二甲基硅氧烷)
5薄膜进行封装。将压力作用在器件上，用Keithley4200测量其I_V特性，即可得到器件对压力的 响应，如图2所示。实施例2
在本例中，以Kapton为衬底，以传统光刻掩模为例来说明。具体步骤如下
1.采用传统的半导体工艺清洗二氧化硅衬底；
2.使用传统光刻工艺在二氧化硅衬底上作一层光刻胶的掩膜；
3.在二氧化硅衬底上沉积一层200nm的AZ0薄膜作种子层；
4.再在二氧化硅衬底上沉积一层5nm的Cr薄膜作钝化层，同时也作为电极；
5.使用传统去光刻胶的方法洗去光刻胶，得到所需的电极；
6.采用有聚四氟乙烯内衬的高压水热反应釜为反应容器，反应溶液为浓度为 0. 025mol/L的醋酸锌和六亚甲基四氨的水溶液。将样品正面朝下水平置于反应釜中的液面 下接近液面处，将高压釜至于恒温箱中，140°C保持一个小时；
7.将样品取出，用去离子水漂洗，烘干，得到所需的样品；
8.从两电极上接出导线并利用旋涂的方法在样品上涂敷一层PDMS(聚二甲基硅氧烷) 薄膜进行封装。将压力作用在器件上，用Keithley4200测量其I_V特性，即可得到器件对压力的 响应，如图3所示。实施例3
在本例中，以Teflon为衬底，以金属掩模为例来说明。具体步骤如下
1.无水乙醇及去离子水清洗PET柔性衬底并吹干待用；
2.用金属掩膜作掩膜，在衬底上沉积一层30nm的金薄膜作种子层；
3.再在衬底上沉积一层30nm的IT0薄膜作钝化层，同时也作为电极；
4.采用有聚四氟乙烯内衬的高压水热反应釜为反应容器，反应溶液为浓度为 0. 05mol/L的醋酸锌和六亚甲基四氨的水溶液。将样品正面朝下水平置于反应釜中的液面 下接近液面处，将高压釜至于恒温箱中，65°C保持三个小时；
5.将样品取出，用去离子水漂洗，烘干，得到所需的样品；
6.从两电极上接出导线并利用旋涂的方法在样品上涂敷一层PDMS(聚二甲基硅氧烷) 薄膜进行封装。将压力作用在器件上，用Keithley4200测量其I_V特性，即可得到器件对压力的 响应，如图4所示。
权利要求
一种氧化锌纳米杆压力传感器，其特征在于包括不导电的柔性衬底、种子层、两金属电极和氧化锌纳米杆阵列；所述种子层沉积于柔性衬底上，所述金属电极沉积于种子层上，所述氧化锌纳米杆阵列生长于种子层上并且平行于衬底排列，两种子层上生长出的ZnO纳米杆之间保持亚稳态的接触。
2.如权利要求1所述的氧化锌纳米杆压力传感器，其特征在于所述不导电的柔性衬底 为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料或聚四氟乙烯。
3.如权利要求1或2所述的氧化锌纳米杆压力传感器，其特征在于所述种子层为氧化 锌、掺铝的氧化锌或金，其厚度为30 300nm。
4.如权利要求1或2所述的氧化锌纳米杆压力传感器，其特征在于所述金属电极为锡、 铬或掺二氧化锡的三氧化二铟，其厚度为5 50nm。
5.如权利要求1或2所述的氧化锌纳米杆压力传感器，其特征在于所述金属电极之间 的距离为1 30微米。
6.一种氧化锌纳米杆压力传感器的制备方法，其特征在于依次包括如下步骤步骤一，利用传统光刻工艺在柔性衬底上做出两电极的光刻胶掩膜，或者利用金属掩 膜作掩膜；步骤二，用对氧化锌具有亲和性的材料在柔性衬底上沉积一层薄膜作为种子层，得到 两电极形状的薄膜；步骤三，用对氧化锌不具有亲和性的材料在柔性衬底上再沉积一层图形化钝化层薄 膜，它们同时也作为电极；步骤四，以高压反应釜作为反应容器，使用含有锌离子的碱性反应溶液，将衬底正面朝 下置于液面处，密封后置于烘箱中65 140°C下保温反应1 3h，反应后将衬底用去离子 水漂洗，烘干，得到水平生长的ZnO纳米杆阵列；步骤五，从两电极上接出导线并利用旋涂的方法在样品上涂敷一层聚二甲基硅氧烷薄 膜进行封装。
7.如权利要求6所述的氧化锌纳米杆压力传感器的制备方法，其特征在于所述柔性衬 底为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料或聚四氟乙烯。
8.如权利要求6或7所述的氧化锌纳米杆压力传感器的制备方法，其特征在于所述对 氧化锌具有亲和性的材料为氧化锌、掺铝的氧化锌或金。
9.如权利要求6或7所述的氧化锌纳米杆压力传感器的制备方法，其特征在于所述对 氧化锌不具有亲和性的材料为锡、铬或掺二氧化锡的三氧化二铟。
10.如权利要求6或7所述的氧化锌纳米杆压力传感器的制备方法，其特征在于所述含 有锌离子的碱性反应溶液为醋酸锌和六亚甲基四氨的水溶液。
全文摘要
本发明公开了一种氧化锌纳米杆压力传感器及其制备方法，属于纳米器件领域。氧化锌纳米杆压力传感器包括不导电的柔性衬底、种子层、两金属电极和氧化锌纳米杆阵列；所述种子层沉积于柔性衬底上，所述金属电极沉积于种子层上，所述氧化锌纳米杆阵列生长于种子层上并且平行于衬底排列，两种子层上生长出的ZnO纳米杆之间保持亚稳态的接触。本发明传感器具有极高的灵敏度,本发明方法绕开对纳米材料“拿起和放下”的传统思维模式，通过一步到位的工艺和对器件结构精确的控制，得到了超高灵敏度的传感器，而且其制备工艺简单、一气呵成、成本低廉。
文档编号G01L1/16GK101893494SQ201010252908
公开日2010年11月24日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者刘逆霜, 方国家, 黄晖辉, 龙浩 申请人:武汉大学