一種基於InAsQD-HEMT結構的力敏測試系統
2023-10-31 17:05:34
一種基於inas qd-hemt結構的力敏測試系統
技術領域
1.本發明涉及力敏傳感器技術領域，具體為一種基於inas qd嵌入hemt結構的力敏測試系統。
背景技術：
2.力敏傳感器是汽車工業、生物醫學、航空航天、工業自動化等領域不可或缺的重要器件。汽車工業普遍採用各種壓力傳感器來測量發動機機油壓力、燃油壓力、進氣管道壓力、安全氣囊壓力及輪胎壓力。在生物醫學領域，力敏傳感器可用於醫療診斷系統和顱內壓力檢測等。在航空航天領域，宇宙飛船和航天飛行器的姿態控制、高速飛行器、噴氣發動機、火箭、衛星等耐熱腔體和表面各部分壓力的測量都離不開力敏傳感器。
3.mems力敏傳感器由於具有體積小、重量輕、響應快、功耗低、易於微型化與集成化等優點，而被廣泛的應用於航空航天、空間通信、衛星、軍事以及核領域等。隨著這些領域對精度需求越來越高，開發由新型材料製作的 mems力敏傳感器產品成為提高mems力敏傳感器精度和靈敏度主要發展的主要方向之一。目前新型力敏材料採用兩片聚二甲基矽氧（pdms）之間覆蓋超薄金納米線的三明治結構來提高柔性壓力傳感器的靈敏度，使傳感器靈敏度高於1.14kpa-1
，但這種方法較難實現mems器件集成批量化與工程化。另外還有一種基於algan/gan hemt的惠斯通橋式壓力傳感器，該傳感器實現了對力學信號的檢測，但具有較低的靈敏度，靈敏度為1.25μv/kpa/v。本發明利用qd-hem力敏單元晶格散射效應，提出了一種inas qd嵌入式hemt機構的力敏傳感測試系統。
技術實現要素：
4.本發明針對量子點嵌入式hemt力敏結構具有高電子遷移率、高靈敏度、高帶寬、優異的電學特性等優點，提出了一種基於inas qd嵌入hemt結構的力敏測試系統。
5.本發明是採用如下技術方案實現的：一種基於inas qd-hemt結構的力敏測試系統，包括試驗箱體，所述試驗箱體內安裝底座，所述底座上放置陶瓷託盤，所述陶瓷託盤內放置inas qd-hemt結構樣品；所述inas qd-hemt結構樣品的源極通過導線與位於系統箱體外的直流穩壓電源相連，為inas qd-hemt結構樣品提供固定的工作電壓，所述inas qd-hemt結構樣品的漏極歐姆接觸處通過導線與位於試驗箱體外的高精度萬用表相接，實時觀測inas qd-hemt結構樣品的輸出電流；所述試驗箱體上安裝有進氣閥和出氣閥，所述進氣閥通過管路與密封壓力罐相連；所述進氣閥和出氣閥通過壓力控制器控制動作；所述試驗箱體內安裝壓力傳感器，所述壓力傳感器輸出信號至壓力控制器。
6.進一步優選的，所述試驗箱體內位於陶瓷託盤上方設有絕緣密封隔層。
7.其中，所述高精度萬用表檢測inas qd嵌入hemt結構因應力作用產生的電流變化。所述直流穩壓電源提供inas qd嵌入hemt結構的工作電壓。所述壓力控制器控制系統能夠獨立、精確地控制壓力。所述密封高溫壓力罐精準為測試平臺施加壓力，所述陶瓷託盤支撐
和絕緣nas qd嵌入hemt結構。
8.其中，inas qd-hemt結構樣品是基於2-deg inas量子點嵌入式hemt力敏結構，利用分子束外延技術進行力敏結構加工；首先在半絕緣gaas襯底上通過分子式外延生長200nm gaas緩衝層、gaas/algaas超晶格層、50nm gaas溝道層，使用s-k模式生長inas量子點層，然後採用分子式外延法生長12nm algaas隔離層、si平面摻雜隔離層、16nm的n-algaas勢壘層、4nm gaas隔離層，最後生長45nm gaas歐姆接觸層，用來通過光刻工藝、刻蝕工藝進行源漏極歐姆接觸的加工。
9.採用qd-hemt作為mems傳感器的力敏單元，當對傳感器施加應力作用時，qd-hem力敏單元由於受到力作用而使能帶結構及內部晶格發生變化。其中溝道層產生變形會造成自由電子遷移率的變化；內部晶格變化引起晶格膨脹，導致散射效應增強，進一步影響自由電子遷移率；能帶結構的改變會影響價帶到導帶的電子轉移，並改變自由電子濃度，造成導電性、遷移率的改變。這些改變的因素都會對qd-hemt結構中的二維電子氣產生影響，導致輸出電流發生變化，宏觀上就表現為qd-hemt輸出電流（ids）的變化。通過這一物理過程，實現力學信號到電學信號的轉化。
10.具體的力敏特性測試方法如下：1、在常溫環境0-100kpa壓力的作用下對結構的力敏特性進行測試。將加工好的inas qd-hemt力敏結構，固定在複合試驗臺的陶瓷託盤上，並將源極、漏極歐姆接觸與直流穩壓電源、高精度萬用表相連。密封複合試驗臺後，使複合試驗臺開始工作。在該試驗臺中，利用參考溫壓力傳感器反饋壓力罐內的壓力值，使控制系統能夠獨立、精確地控制溫度和壓力。
11.2、由於複合試驗臺內部氣壓直接決定inas qd-hemt表面的壓力值，通過壓力控制器控制氣閥開關，可以精準控制內部氣壓值。為了測試inas qd-hemt力敏結構的力敏特性，將複合試驗臺內部氣壓初始狀態設置為0kpa。
12.3、打開直流穩壓電源驅動直流穩壓inas qd嵌入hemt結構開始工作，通過高精度萬用表記錄此時0kpa氣壓下，qd-hemt力敏結構的輸出電流值。
13.4、通過壓力控制器，使密封壓力罐向複合實驗臺內灌入惰性氣體，此時複合實驗臺氣壓將升高，通過壓力控制器觀察當氣壓上升至10kpa時關閉進氣閥。
14.5、通過高精度萬用表記錄此時10kpa氣壓下，qd-hemt力敏結構的輸出電流值。
15.6、按照步驟4、5重複操作，使複合實驗臺內部氣壓增加至100kpa。
16.7、在 0kpa、10kpa、20kpa等應力作用下，qd-hemt的輸出電流存在明顯的變化，說明敏感單元的晶格和能帶結構發生了變化。即在應力作用下，由於能級結構和電荷區的變化，使自由電子濃度，溝道寬度發生變化，表現出輸出電流的變化。通過外界氣壓的改變導致電流的變化驗證了inas qd嵌入hemt結構力敏特性。
17.本發明設計合理，對研製新一代mems力敏傳感器有著重要的意義和價值，將服務於未來各個領域，特別是對靈敏度要求較高的電子、國防、航空航天等的力敏測量，具有很好的實際應用價值。
附圖說明
18.圖1表示本發明力敏測試系統示意圖。
19.圖2表示本發明inas qd-hemt結構示意圖。
20.圖3表示本發明inas qd-hemt結構的力敏特性測試結果。
21.圖中：1-陶瓷託盤，2-inas qd-hemt結構樣品，3-直流穩壓電源，4-高精度萬用表，5-壓力控制器，6-密封壓力罐，7-進氣閥，8-出氣閥，9-底座，10-試驗箱體，11-導線，12-絕緣密封隔層。
具體實施方式
22.下面結合附圖對本發明的具體實施例進行詳細說明。
23.一種基於inas qd嵌入hemt結構的力敏測試系統，由試驗箱體，陶瓷託盤，inas qd嵌入hemt結構，直流穩壓電源，高精度萬用表，壓力控制器，密封高溫壓力罐，進氣閥，出氣閥，壓力傳感器等構成。
24.具體連接關係如圖1所示，包括試驗箱體10，試驗箱體10內安裝底座9，底座9上放置陶瓷託盤1，試驗箱體10內位於陶瓷託盤1上方設有絕緣密封隔層12。陶瓷託盤1內放置inas qd-hemt結構樣品2；陶瓷託盤1用於固定inas qd-hemt結構樣品2，達到絕緣與支撐的作用。inas qd-hemt結構樣品2的源極通過導線11與位於系統箱體10外的直流穩壓電源3相連，為inas qd-hemt結構樣品2提供固定的工作電壓，inas qd-hemt結構樣品2的漏極歐姆接觸處通過導線11與位於試驗箱體10外的高精度萬用表4相接，實時觀測inas qd-hemt結構樣品2的輸出電流；試驗箱體10上安裝有進氣閥7和出氣閥8，進氣閥7通過管路與密封壓力罐6相連；進氣閥7和出氣閥8通過壓力控制器5控制動作。試驗箱體10內安裝多個壓力傳感器，壓力傳感器輸出信號至壓力控制器5。另外，試驗箱體10內安裝也安裝溫度傳感器，用於測量測試系統溫度。
25.具體應用時，壓力控制器5調節進氣閥7和出氣閥8進而改變複合試驗臺（試驗箱體）內部氣壓。直流穩壓電源3為inas qd-hemt結構樣品2提供穩定的工作電壓。高精度萬用表4檢測inas qd-hemt結構樣品2的輸出電流。
26.其中，inas qd-hemt結構如圖2所示，首先在半絕緣gaas襯底上通過分子式外延（mbe）以此生長200nm高純度gaas緩衝層，生長緩衝層能夠避免有源層受到襯底缺陷、有害雜質和熱轉換的影響，沒有緩衝層時有源層向襯底方向的遷移率呈下降趨勢，另一方面，緩衝層也可以平滑表面，減小表面的起伏。然後生長與過渡區一體的高濃度gaas/algaas超晶格層，再生長高純度的gaas溝道層，這樣可以同時兼顧跨導特性和擊穿特性，之後是使用s-k（stranski-krastanow）模式生長inas量子點層，然後繼續採用分子式外延法（mbe）生長12nm高純algaas隔離層、si平面摻雜隔離層，這樣可以克服肖特基勢壘擊穿低的缺點；然後是16nm的n-algaas勢壘層，這一層是電子供給層，柵極的肖特基接觸在這一層，兼顧歐姆接觸和肖特基接觸。上面是高純度gaas隔離層，最後是45nm的高摻雜gaas歐姆接觸層，用來進行源極、漏極歐姆接觸的加工。設計的inas qd-hemt力敏結構的柵長為0.5μm，柵寬為176μm，溝道層的厚度為50nm。
27.加工後的inas qd嵌入式hemt力敏結構受到力作用而使能帶結構及內部晶格發生變化。溝道層和內部晶格產生變形及膨脹，造成自由電子遷移率變化和散射效應增強，影響自由電子遷移率，造成導電性、遷移率的改變，導致輸出電流發生變化。對加工後的力敏結構進行了力敏特性測試，應力作用下qd-hemt結構的輸出特性曲線發生變化。這種方法實現
了利用inas qd嵌入式hemt進行力敏傳感。當複合試驗臺的壓強升高時，inas qd-hemt結構樣品2表面的壓力增大導致inas qd-hemt結構樣品2其能帶結構和內部晶格發生了變化，導致散射效應增強，影響載流子的漂移，改變了空間電荷區的大小，使載流子的溝道寬度發生變化，使得高精度萬用表4測試出電流值，根據電流值的變化可以得到外界壓力的信息。
28.具體實施時，將加工完成的inas qd嵌入hemt的樣品2放置在陶瓷託盤1上，調節陶瓷託盤高低，使樣品處在試驗臺的中心部位並固定。將樣品2的源極連接直流穩壓電源3引出的導線，漏極歐姆接觸連接至高精度萬用表4，導線11從上端絕緣材料處引出，為測試工作做好準備。待樣品與導線固定好後，關閉試驗臺，使樣品處於一個封閉的實驗環境中，試驗結束前，不會再打開實驗臺。啟動試驗臺，待內部環境穩定後，通過調節壓力控制器5，來調節試驗臺內部壓強。試驗臺內部含有許多壓力傳感器，壓力控制器5通過接受壓力傳感器的反饋，控制進氣閥7，與出氣閥8的開關，進氣閥7與密封壓力罐6相連，它們的開關狀態直接決定了試驗臺內部的壓強值。實驗平臺內不同的壓強值，對樣品2的壓力值不同，通過此原理對樣品2的力敏特性進行測試。為了測試inas qd嵌入hemt樣品2的力敏特性。先通過壓力控制器5將試驗臺內部壓強設置為0kpa，由0kpa每次上升10kpa至100kpa，通過高精度萬用表4觀察qd-hemt的輸出電流的變化。在0-100kpa的應力作用下，對qd-hemt的輸出特性進行測試，與未受力作用相比，隨著應力作用不斷提高，qd-hemt的輸出電流存在明顯的變化，說明敏感單元的內部輸運機制發生了變化，即在應力作用下，由於能級結構的變化，影響載流子的漂移，從而改變空間電荷區的大小，使載流子的溝道寬度發生變化，最終在宏觀上表現出輸出電流的變化，實現了力學信號到電學信號的力電轉換，表明qd-hemt具有較強的力電耦合特性。
29.在0-100kpa應力範圍內，對inas qd-hemt結構的靈敏度進行了測試。柵壓為v
gs
=1v時，輸出電壓vds隨應力變化的結果如圖3所示。根據測試結果可以得到，inas qd-hemt力敏傳感器的靈敏度為1.09mv/kpa。
30.以上僅為本發明的具體實施例，但並不局限於此。任何以本發明為基礎解決基本相同的技術問題，或實現基本相同的技術效果，所作出地簡單變化、等同替換或者修飾等，均屬於本發明的保護範圍內。