[发明专利]硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统及四点弯曲施力装置

说明书

技术领域

本发明属于微纳机电系统技术领域，具体涉及一种硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统。 

背景技术

目前，随着微纳米加工和分析等技术的发展，研究发现半导体材料在微纳米尺度下的尺寸效应、压阻效应、晶界效应等为其在力、热、光、电、磁等方面带来了独特性能，并由此制造出功能强大、性能优越的微纳米级电子元器件，广泛应用于微纳电子机械系统的传感器中，如压力传感器、加速度传感器及各种生化传感器。因此微纳米材料具有巨大的应用前景。传统掺杂工艺的硅压敏电阻的电阻应变系数较小，随着传感器尺寸的变小，传统掺杂工艺的压敏电阻已经不能满足现代高灵敏度测试的要求。硅纳米线作为一种新型的一维纳米材料，一直未有较好的方法来对表征其压阻效应和力敏特性的重要参数——压阻系数进行测量，极大地限制了硅纳米线传感结构的应用与开发。而硅纳米线传感结构能够具有巨大的压阻系数，因此研究巨压阻系数对硅纳米线的实用化开发很有意义。目前利用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜和透射电子显微镜(TEM）测量压阻系数时，发现靠近硅纳米线的两端处于拉伸状态，中间部分处于压缩状态，两个区域由于压阻效应产生的电阻变化相互抵消，使得测量准确性大为下降，其次，该方法设备复杂、昂贵、体积大，对环境、温度、湿度均有严格的要求，在使用上不便捷，测量时间长。 

利用MOS沟道以及结型场效应管(JFET)沟道的压阻效应也可以实现压阻检测。但是MOS沟道压阻检测的主要问题有三点。（1）MOS管是一种具有放大作用的晶体管,栅极电压的微小变化会引起沟道阻抗的显著变化，因此抗干扰能力差。（2）为实现压阻检测需要将MOS管连接成电桥，而MOS电桥存在负反馈，会造成压阻灵敏度的显著下降。理论计算表明增强型MOS管电桥的灵敏度小于力敏电阻电桥的一半。（3）构件弯曲时，最大应力出现在表面，随着深度的增加应力迅速下降。而MOS管结构特点决定了沟道无法制作在表面，造成灵敏度下降。JFET沟道压阻结构也存在MOS沟道压阻结构类似的问题，即对栅极电压敏感抗干扰能力差、存在负反馈会降低灵敏度等。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，本发明提出了一种硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统，以达到简化巨压阻系数的检测装置和提高检测灵敏度和精度的目的，本发明利用多路复用开关实现阵列式多点平均测量应变和阻值的技术，因而它具有更高精度和更好的稳定性，使用便捷，缩短了测量时间。 

为了达到以上目标，本发明提供了一种硅纳米传感阵列巨压阻系数测量系统，包括四点弯曲施力装置、微小阻值检测装置和微小应变检测装置，其中，所述四点弯曲施力装置包括船型底座1、底座滑轨槽、螺母3、两个等高L型夹具4、顶部连杆5、两个等高L型载荷支撑平台12、砝码6、托盘7和加载压头8，所述底座1正表面标刻有刻度线2，所述底座滑轨槽设置在所述底座1的上端面；所述等高L型夹具4和等高L型载荷支撑平台12分别相对于所述四点弯曲施力装置的中心线对称设置，并且所述等高L型夹具4和等高L型载荷支撑平台12能滑动地设置在所述底座滑轨槽内；所述加载压头8设置在所述等高L型载荷支撑平台12的上部；所述螺母3包括上部螺母，所述上部螺母设置在所述托盘7和加载压头8之间，所述顶部连杆5从上至下依次穿过所述砝码6、托盘7中部、上部螺母和加载压头8中部；所述托盘7和加载压头8的两侧端部分别抵靠在所述等高L型夹具4上； 

所述微小阻值检测装置包括惠斯通电桥和微弱信号采集系统，所述惠斯通电桥由所述硅纳米线传感阵列13中的任一硅纳米线和与所述硅纳米线阻值相同的三个精密电阻构成；所述微弱信号采集系统包括前置放大电路、第二级放大滤波电路、电压跟随器、模数转换器和终端模块，所述前置放大电路、第二级放大滤波电路、电压跟随器、模数转换器和液晶显示模块顺次连接；所述微弱信号采集系统与所述惠斯通电桥的电压输出端相连接；

所述微小应变检测装置包括全桥式应变片11，所述全桥式应变片11分别粘贴在所述硅纳米线传感阵列芯片13的正反面的受力点位置，所述四个全桥式应变片（11）构成四个应变全桥电路实现应变多点平均测量，本发明采用四个全桥式应变片（11）构成了四个应变全桥电路，硅纳米线传感阵列芯片正反面各两个，从而实现对硅纳米线传感阵列芯片的应变多点平均测量；所述微弱信号采集系统与所述应变全桥电路的输出端相连接。