Αισθητήρες παραμόρφωσης αποτελούμενοι από σύνολα νανοσωματιδίων

Abstract

Επάνω σε υποστρώματα οξειδωμένου πυριτίου και πολυιμίδιου αναπτύχθηκαν αισθητήρες παραμορφώσεως από ηλεκτρόδια χρυσού και νανοσωματίδια πλατίνας. Στην ανίχνευση παραμόρφωσης παρατηρήθηκε συντελεστής ευαισθησίας 700, ο οποίος είναι δυο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερος από αυτόν που παρατηρείται στα αισθητήρες από συνεχείς μεταλλικές ταινίες και επτά φορές μεγαλύτερος από τις υπάρχουσες διατάξεις παραμόρφωσης που βασίζονται σε ημιαγωγούς. Η μετρούμενη αντίσταση εξαρτάται στο μεγαλύτερο βαθμό από την μεταξύ απόσταση των σωματιδίων, η οποία μεταβάλλεται όταν το υπόστρωμα είναι παραμορφωθεί. Παραδοσιακά, οι αισθητήρες παραμόρφωσης κατασκευάζονται είτε από μεταλλικά είτε από ημιαγώγιμα υλικά. Η βασική αρχή λειτουργίας σε αυτούς είναι η μεταβολή της αντίστασης με την παραμόρφωση. Πιο πρόσφατα αντικείμενα νανοτεχνολογίας, όπως οι νανοσωλήνες άνθρακα μέσα σε ένα πολυμερές πλέγμα[1][2] έχουν ερευνηθεί προς υψηλότερη ευαισθησία και χαμηλότερο κόστος της συσκευής. Η αλλαγή αντίστασης σε αυτή την περίπτωση οφείλεται σε εγγενείς ιδιότητες του υλικού των νανοσωλήνων άνθρακα που παρουσιάζουν υψηλό συντελεστή πιεζοαντίστασης. Έχει επίσης αποδειχθεί ότι η οργάνωση μεταλλικών νανοσωματιδίων ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια αγωγιμότητας εμφανίζουν πολύ υψηλότερη ευαισθησία παραμόρφωσης από αυτή των διατάξεων που αποτελούνται από συνεχείς μεταλλικές ταινίες (συντελεστής ευαισθησίας 2) και παρόμοιας τάξης με διατάξεις από ημιαγωγούς (συντελεστής ευαισθησίας 100). Η υψηλή ευαισθησία στη μεταβολή της αντίστασης κατά την παραμόρφωση δεν οφείλεται στις εγγενείς ιδιότητες του υλικού αλλά στο φαινόμενο της σήραγγας που αναπτύσσεται ως κυρίαρχος μηχανισμός μεταφοράς ηλεκτρονίων μεταξύ των νανοσωματιδίων[1] στη διάταξη. Στην παρούσα εργασία ερευνούμε αυτό το είδος του αισθητήρα παραμόρφωσης. Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί στο εργαστήριο δύο τεχνικές για την νανοσωματιδίων σε θερμοκρασία δωματίου οι οποίες είτε βασίζονται στην εκτύπωση εναπόθεση (ink-jet) είτε στην εναπόθεση σε κενό4,5. Ενώ ink-jet τεχνική είναι απλούστερη παρουσιάζει προβλήματα που σχετίζονται με την ομοιομορφία (ελεγχόμενη πυκνότητα εναπόθεσης) των νανοσωματιδίων στην επιφάνεια εναπόθεσης. Από την άλλη πλευρά η τεχνική εναπόθεσης σε κενό με βάση την τεχνική sputtering δίνει ελεγχόμενο μέγεθος καθώς 6 και ομοιόμορφη κατανομή νανοσωματιδίων. Η τεχνική αυτή που εξετάζεται στην παρούσα εργασία παρουσιάζει το πλεονέκτημα ενός καλύτερου ελέγχου της αντίστασης (ομοιομορφία αποστάσεων μεταξύ των νανοσωματιδίων) και επιτρέπει τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας του αισθητήρα τόσο όσον αφορά την κατανάλωση ισχύος αλλά και την ευαισθησία στην ανίχνευση της παραμόρφωσης. Τα υποστρώματα που χρησιμοποιήθηκαν για την δημιουργία των αισθητήρων ήταν υποστρώματα πυριτίου με ένα λεπτό οξείδιο (μέγιστο πάχος 1μm) καθώς και λεπτά υμένια από πολυιμίδιο. Σε αυτές τι επιφάνειες αναπτύχτηκαν ηλεκτρόδια από χρυσό συγκεκριμένης γεωμετρικής δομής (μεταξύ αποστάσεις των ηλεκτροδίων: 2μm, 5μm και 10μm) με οπτική λιθογραφία και κατόπιν με εξάχνωση χρυσού από το e-Gun. Τα νανοσωματίδια που εναποτέθηκαν ήταν από πλατίνα (Pt) ώστε να αποφευχθεί η οξείδωση με την πάροδο του χρόνου και έτσι να μη αλλάξει η ευαισθησία του αισθητήρα. Οι ηλεκτρικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του HP4140B picoampere meter, ενώ οι μέτρηση της παραμόρφωσης αλλά και της ομοιομορφίας της επιφάνειας του αισθητήρα πραγματοποιήθηκε από μία οπτική διάταξη με laser6. Η πυκνότητα των νανοσωματιδίων ήταν ελεγχόμενη από το χρόνο εναπόθεσης και μελετήθηκε με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM).

Strain sensors have been fabricated by depositing platinum nanoparticles between interdigitated gold electrodes on oxidised silicon substrate. A significant improvement in strain sensitivity is achieved with a gauge factor in excess of 700, which is two orders of magnitude higher than continuous metallic films and five times higher than semiconductor devices. The measured resistance is strongly dependent on inter-particle distance, which is altered when the substrate is strained. Traditionally strain sensors have been fabricated using either metallic strain gauges or semiconductors. The basic principle of operation of these devices is based on the change of the resistance with strain. More recently nanotechnology objects like carbon nanotubes dispensed within a polymer matrix[2, 3] have been investigated towards higher sensitivity and lower cost device. The resistance change in that case is due to intrinsic material properties of carbon nanotubes that present a high piezoresistance coefficient. It has been also demonstrated that metallic nanoparticle assemblies positioned between two conductive electrodes exhibit much higher strain sensitivity than continuous metallic films (gauge factor 2) and of similar value with their semiconducting rivals (gauge factor 100). The high resistance sensitivity with strain in that case is not due to a material intrinsic property like piezoresistance but to the dominating current transport mechanism itself which is based on current tunneling through nanogaps present between nanoparticles. In the current work we investigate this type of strain sensor. We have developed during recent years, techniques for room temperature nanoparticle deposition which are based either on ink-jet printing or in vacuum[4, 5]. While ink-jet technique is simpler it presents problems related with uniformity (controlled deposition density) of nanoparticles within the deposited layer. On the other hand formation of nanoparticles in vacuum based on sputtering and condensation of atoms from a metallic target to form clusters of controlled size that are uniformly deposited on the substrate presents another alternative for uniform nanoparticle layer formation with controlled surface density. This technique that is explored in the present work presents the advantage of a better resistance control and allows optimization of the sensor operation both in terms of power dissipation and strain sensitivity. 8 We used silicon substrate with 1μm thermally oxidised layer, on which gold electrodes, with gaps ranging from 2-10μm, were applied by optical lithography and e-Gun evaporation. The nanoparticles are formed in vacuum, based on sputtering and condensation of atoms from a metallic target to form clusters of controlled size that are uniformly deposited on the substrate[2]. Platinum was used as a means to avoid oxidation and thus device aging. Electrical measurements were made using an HP4140B picoampere meter at 10μm intervals of sample deflection, whilst the strain measurements were based on an optical bend monitoring of the sample[6]. The density of nanoparticles was controlled by deposition time and examined by scanning electron microscopy (SEM).