申请/专利权人：北京纳米能源与系统研究所

申请日：2018-06-27

公开（公告）日：2020-09-15

公开（公告）号：CN109029358B

主分类号：G01C9/18(20060101)

分类号：G01C9/18(20060101);H02N1/04(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.09.15#授权;2019.01.11#实质审查的生效;2018.12.18#公开

摘要：本发明提供了一种基于液态金属的电子水平仪，用于角度测量，包括：第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、摩擦纳米发电机，第二场效应晶体管与第一场效应晶体管并排设置，摩擦纳米发电机位于第一、第二场效应晶体管的上方；其中，摩擦纳米发电机包括摩擦层和液态金属，摩擦层为空腔结构，液态金属位于所述空腔内。本发明的电子水平仪具有灵敏度高、检测量程大、稳定性好的特点，将在机械制造、土木工程和地质勘探等领域具有重要的应用前景。

主权项：1.一种基于液态金属的电子水平仪，用于角度测量，其特征在于，包括：第一场效应晶体管；第二场效应晶体管，与第一场效应晶体管并排设置；摩擦纳米发电机，位于第一、第二场效应晶体管的上方；其中，摩擦纳米发电机包括摩擦层和液态金属，摩擦层为空腔结构，液态金属位于所述空腔内；其中，第一场效应晶体管的漏极与第二场效应晶体管的源极连接，作为电压输入端口；第一场效应晶体管的源极接地；第二场效应晶体管的漏极作为电压输出端口；所述水平仪摆动引起液态金属流动，在所述液态金属和介电层之间通过摩擦起电产生静电势作为第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的栅极电压。

全文数据：液态金属栅控摩擦电子学晶体管、电子水平仪技术领域[0001]本发明涉及液态金属和电子器件技术领域，尤其涉及一种液态金属栅控摩擦电子学晶体管及基于液态金属的电子水平仪。背景技术[0002]近年来，由于低熔点液态金属在室温下具备优良的流变特性，使之在众多重要的领域吸引了广泛的关注。其中，研宄者们尤其希望将液态金属应用于电子器件，以发挥其高电导率、良好的界面接触和流动性的特点。在过去的十年中，研究者们提出了一些基于应用液态金属的电子器件包括:打印电子器件、锂离子电池和热电电池等。然而，这些器件在结构上的固有缺陷导致液态金属优越的物理化学性能不能够得到较好的发挥。因此，通过一种新奇的结构设计使得液态金属能够更好地应用于电子器件是很有必要的。发明内容[0003]—要解决的技术问题[0004]鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种液态金属栅控摩擦电子学晶体管及基于液态金属的电子水平仪，并展示其摆角测量的特性。[0005]自2012年以来，摩擦纳米发电机作为一种新兴的科技提供了一种可以有效地将环境机械能转换为电能的方法。近年来，通过耦合摩擦起电效应和半导体，研宄者们又提出了摩擦电子学这一新的研宄领域。其中信息摩擦电子学的主要研宄内容为利用摩擦电来调控半导体中的电输运，从而用于信息传感和主动控制。这些摩擦电子学器件已经应用于包括：场效应晶体管、有机发光二极管、逻辑电路、存储器、光电晶体管和触觉传感阵列等。基于材料选择的多样性，摩擦电子学为液态金属在电子器件上的应用提供了一种潜在的方案。[0006]本发明将液态金属引入摩擦电子学器件，提出了一种液态金属栅控摩擦电子学晶体管，通过耦合金属-氧化物-半导体场效应晶体管和基于液态金属的摩擦纳米发电机，器件中的载流子输运可以通过摆动引起的静电势来调控，而非传统的外加栅极电压。此外基于液态金属栅控摩擦电子学晶体管，本发明又提出了一种基于液态金属的可用于角度测量的电子水平仪，所述电子水平仪具有灵敏度高、检测量程大、稳定性好的特点，这将在机械制造、土木工程和地质勘探等领域具有重要的应用前景。[0007]二技术方案[0008]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：[0009]根据本发明的一个方面，提供了一种基于液态金属的电子水平仪，用于角度测量，包括：[0010]第一场效应晶体管；[0011]第二场效应晶体管，与第一场效应晶体管并排设置；[0012]摩擦纳米发电机，位于第一、第二场效应晶体管的上方;其中，[0013]摩擦纳米发电机包括摩擦层和液态金属，摩擦层为空腔结构，液态金属位于所述空腔内。[0014]在本发明的某些实施例中，第一场效应晶体管的漏极与第二场效应晶体管的源极连接，作为电压输入端口；第一场效应晶体管的源极接地;第二场效应晶体管的漏极作为电压输出端口。[0015]在本发明的某些实施例中，所述空腔结构包括底面和侧面，液态金属位于底面和侧面所围成的空间内。[0016]在本发明的某些实施例中，所述摩擦纳米发电机还包括：[0017]密封盖，位于摩擦层的上方。[0018]在本发明的某些实施例中，所述液态金属铺满摩擦层的底面，不超过摩擦层侧面的一半。[0019]在本发明的某些实施例中，所述液态金属为液态的低熔点金属或合金。[0020]在本发明的某些实施例中，所述场效应晶体管为n沟道背栅型场效应晶体管，其包括：[0021]栅极，位于摩擦纳米发电机的摩擦层的下方；[0022]基底，位于栅极的下方；[0023]埋氧层，位于基底的下方；[0024]沟道层，位于埋氧层的下方；[0025]第一重掺杂区和第二重掺杂区，位于沟道层下表面；[0026]漏极和源极，分别位于第一重掺杂区的下方和第二重掺杂区的下方。[0027]在本发明的某些实施例中，所述栅极为金属，所述摩擦层为与金属得电能力不同的薄膜材料。[0028]在本发明的某些实施例中，所述摩擦层为聚四氟乙烯。[0029]根据本发明的另一个方面，提供了一种液态金属栅控摩擦电子学晶体管，包括：[0030]场效应晶体管；[0031]摩擦纳米发电机，位于场效应晶体管的上方;其中，[0032]摩擦纳米发电机包括摩擦层和液态金属，摩擦层为空腔结构，液态金属位于所述空腔内。[0033]三有益效果[0034]从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果其中之一：[0035]1本发明将液态金属引入摩擦电子学器件，不需要外加栅极电压；[0036]2本发明的电子水平仪包括基于液态金属的摩擦纳米发电机，实现了角度的测量，具有灵敏度高、检测量程大、稳定性好的特点。附图说明[0037]图1为本发明实施例液态金属栅控摩擦电子学晶体管的结构示意图。[0038]图2为本发明实施例液态金属栅控摩擦电子学晶体管的工作原理图。[0039]图3为本发明实施例液态金属栅控摩擦电子学晶体管不同摆角下的输出特性曲线。[0040]图4为本发明实施例液态金属栅控摩擦电子学晶体管不同摆角下的转移特性曲线。[0041]图5为本发明实施例基于液态金属的电子水平仪的结构示意图。[0042]图6为本发明实施例基于液态金属的电子水平仪的工作原理图。[0043]图7为本发明实施例基于液态金属的电子水平伩在不同偏压下，输出电压随摆角的变化关系。[0044]图8为本发明实施例基于液态金属的电子水平仪在不同偏压下，灵敏度随摆角的变化关系。具体实施方式[0045]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。[0046]在对本发明的基于液态金属的电子水平仪进行介绍之前，首先对液态金属栅控摩擦电子学晶体管进行详细说明。[0047]在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种液态金属栅控摩擦电子学晶体管。图1为本发明实施例液态金属栅控摩擦电子学晶体管的结构示意图。如图1所示，本发明液态金属栅控摩擦电子学晶体管包括场效应晶体管和摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机位于场效应晶体管的上方;其中，摩擦纳米发电机包括摩擦层和液态金属，摩擦层为空腔结构，液态金属位于所述空腔内。[0048]在本实施例中，场效应晶体管为n沟道背栅型场效应晶体管，本领域技术人员应当明白，场效应晶体管的结构并不局限于此，其他结构的场效应晶体管也适用于本发明。[0049]如图1所示，n沟道背栅型场效应晶体管包括:栅极8、基底7、埋氧层6、沟道层3、第一重掺杂区1和第二重掺杂区5、源极2和漏极4。栅极8位于摩擦纳米发电机的摩擦层9的下方;基底7位于栅极8的下方;埋氧层6位于基底7的下方;沟道层3位于埋氧层6的下方;第一重掺杂区1和第二重掺杂区5位于沟道层3下表面;源极2和漏极4分别位于第一重掺杂区1的下方和第二重掺杂区5的下方。在本实施例中，沟道层3和基底7均为p型硅，第一重掺杂区1和第二重掺杂区5均为p+硅，源极2和漏极4均为減射金属铝电极，埋氧层6为二氧化硅，栅极8为溅射金属铝电极。[OOSO]栅极8上方为摩擦层9,摩擦层9应为与金属得电子能力不同的薄膜材料，厚度约为1-500M1，本实例中的摩擦层9为50wil厚的聚四氟乙烯PTFE，并且分布在液态金属10的底面和侧面。在本实施例中，液态金属10为室温下呈现液态的低熔点金属、合金，如:汞和镓铟合金，其中液态金属10的含量为刚好铺满底面的PTFE摩擦层，最多不超过侧面PTFE摩擦层的一半。[0051]摩擦层9上方设有密封盖11，本实例中密封盖采用的为玻璃材质。液态金属1〇具有良好的流动性，在器件摆动时，液态金属10的流动会和摩擦层9通过摩擦起电产生静电势。[0052]图2为本发明实施例液态金属栅控摩擦电子学晶体管的工作原理图。如图2所示，液态金属栅控摩擦电子学晶体管的工作原理是基于场效应晶体管和液态金属摩擦纳米发电机的耦合，液态金属和介电层之间可以通过摩擦起电产生静电势，这种由摆动引起的静电势可以替代传统的栅极电压来调控器件源极和漏极之间的载流子输运。将液态金属10缓缓注入到摩擦层9包裹的腔室内，如图2中的a所示，这个过程中，液态金属10的流动会和摩擦层9摩擦广生静电势。由于摩擦层9对电子的束缚能力大于液态金属1〇对电子的束缚能力，所以液态金属10带正电荷，摩擦层9带负电荷。注入完毕后，此时液态金属10和底部的摩擦层9之间产生静电势，相当于给场效应晶体管的栅极8加正向电压，导致场效应晶体管p型沟道中引起内电荷极化，在沟道层3和埋氧层6之间建立一个内部电场，使沟道层3中的电子经巧极2流向大地，结果在沟道层3中形成增强区，从而增大了漏极电流的大小，如图2中的b所不。当器件摆动到最大负角时候，如图2中的c所示，液态金属1〇与摩擦层9接触面积减少，达到静电平衡状态，对沟道层3没有影响。直到器件反方向摆动到再次恢复水平状态的时候，如图2中的d所不，晶体管栅极正向电压再次达到最大值，漏极电流增加。当器件向另一边倾斜时候，到最大正角期间，如图2中的e所不，液态金属1〇与摩擦层g接触面积减少，晶体管栅极正向电压降低，晶体管内建电场减小至〇,导致电子经源极2流向沟道层3中，沟道层3中的增强区减小，使漏源电流减小。当器件再次反向摆动，向右回到平衡位置，如图2中的b，形成了一个完整的调控周期。在整个过程中，摆动引起的静电势可以完全替代传统外部栅极电压调控摩擦电子学晶体管。[0053]图3为本发明实施例液态金属栅控摩擦电子学晶体管不同摆角下的输出特性曲线。如图3所示，随着摆角从负角增大到〇°，液态金属1〇与介电层9接触面积增加，摩擦电子学晶体管栅极正向电压增加。在摆角分别为-27.4°、-23.3。、-19。、-14.5。、0。时，所述的液态金属栅控摩擦电子学晶体管输出特性曲线和普通外加栅压调控一致，展示了良好的调控特性。[00M]图4为本发明实施例液态金属栅控摩擦电子学晶体管不同摆角下的转移特性曲线。如图4所示，器件允许的漏源电压由晶体管制作工艺决定，本实例所用液态金属栅控摩擦电子学晶体管允许的漏源电压范围为_2〇V〜2〇V。如图4所示，在恒定的5V漏源电压下，漏源电流作为倾角的变化函数，图中展示了液态金属栅控摩擦电子学晶体管的转移特性。当摆角从-27•4°变化到0°时，漏源电流从1.7uA增加到60.7uA，这与图2所阐述的工作原理非常吻合。[0055]在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种基于液态金属的电子水平仪。图5为本发明实施例基于液态金属的电子水平仪的结构示意图。如图5所示，本发明基于液态金属的电子水平仪包括:第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、摩擦纳米发电机，第二场效应晶体管与第一场效应晶体管并排设置;摩擦纳米发电机位于第一、第二场效应晶体管的上方;其中，摩擦纳米发电机包括摩擦层和液态金属，摩擦层为空腔结构，液态金属位于所述空腔内。[0056]为了达到简要说明的目的，上述第一个示例性实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。[0057]如图5所示，摩擦层9覆盖在两个摩擦电子学晶体管的栅极8。液态金属10会随电子水平仪的摆动随之流动，摩擦纳米发电机的两端电压随之变化，输出电压分别为左右两个场效应晶体管提供栅压。为了使电子水平仪输出随摆角变化为单调的，需要构建电路连接。本实例采用的电路连接方式如下：右边场效应晶体管的漏极作为偏置电压输入端口，而左边的场效应晶体管源极接地，同时右边场效应晶体管的源极与左边场效应晶体管的漏极相连接，作为输出端口。另外还有一种电路连接方式是在上述方式基础上，把输入端口和输出端口交换，这样输出电压随摆角变化的单调性与上述电路连接方式的单调性相反。[0058]图6为本发明实施例基于液态金属的电子水平仪的工作原理图。如图6所示，在器件摆动角度为-27.4°的初始状态，液态金属10聚集在右半边，与右边场效应晶体管栅极8上的摩擦层9接触，此时左边的场效应晶体管处于关断状态，右边场效应晶体管处于开启状态。随着器件逆时针摆动，液态金属10将汇聚在摩擦层9的左侧，两个场效应晶体管的状态与初始状态相反。[0059]图7为本发明实施例基于液态金属的电子水平仪在不同偏压下，输出电压随摆角的变化关系。如图7所示，在输入端分别输入5¥、10¥、15¥、20¥偏置电压时，所述的基于液态金属的电子水平仪输出电压随倾斜角度变化曲线趋势几乎没有变化。证明了本发明的电子水平仪测量角度的稳定性。此外，偏置电压越大，相同倾角变化范围内，输出电压的变化量增大，更容易区分不同倾角。[0060]图8为本发明实施例基于液态金属的电子水平仪在不同偏压下，灵敏度随摆角的变化关系。如图8所示，所述电子水平仪的灵敏度会随着外加偏压的增大和摆角的较小而增强，这表明该电子水平仪的优良的角度测量特性，尤其是对于小角度范围_10°-10°的测量。[0061]至此，己经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明液态金属栅控摩擦电子学晶体管及基于液态金属的电子水平仪有了清楚的认识。[0062]需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。[0063]还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。[0064]综上所述，本发明提供一种液态金属栅控摩擦电子学晶体管及基于液态金属的电子水平仪。通过耦合摩擦电子学晶体管和基于液态金属的摩擦纳米发电机，通过器件的摆动引起的静电势调节场效应晶体管内的载流子输运，基于液态金属的电子水平仪，实现了角度的测量。本发明的电子水平仪具有灵敏度高、检测量程大、稳定性好的特点，这将在机械制造、土木工程和地质勘探等领域具有重要的应用前景。[0065]应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。[0066]再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。[0067]应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。[0068]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种基于液态金属的电子水平仪，用于角度测量，其特征在于，包括：第一场效应晶体管；第二场效应晶体管，与第一场效应晶体管并排设置；摩擦纳米发电机，位于第一、第二场效应晶体管的上方;其中，摩擦纳米发电机包括摩擦层和液态金属，摩擦层为空腔结构，液态金属位于所述空腔内。2.根据权利要求1所述的电子水平仪，其特征在于，第一场效应晶体管的漏极与第二场效应晶体管的源极连接，作为电压输入端口；第一场效应晶体管的源极接地；第二场效应晶体管的漏极作为电压输出端口。3.根据权利要求1或2所述的电子水平伩，其特征在于，所述空腔结构包括底面和侧面，液态金属位于底面和侧面所围成的空间内。4.根据权利要求3所述的电子水平仪，其特征在于，所述摩擦纳米发电机还包括：密封盖,位于摩擦层的上方。5.根据权利要求4所述的电子水平伩，其特征在于，所述液态金属铺满摩擦层的底面，不超过摩擦层侧面的一半。6.根据权利要求1或2、4或5所述的电子水平仪，其特征在于，所述液态金属为液态的低熔点金属或合金。7.根据权利要求1或2、4或5所述的电子水平仪，其特征在于，所述场效应晶体管为n沟道背栅型场效应晶体管，其包括：栅极，位于摩擦纳米发电机的摩擦层的下方；基底，位于栅极的下方；埋氧层，位于基底的下方；沟道层，位于埋氧层的下方；第一重掺杂区和第二重掺杂区，位于沟道层下表面；漏极和源极，分别位于第一重掺杂区的下方和第二重掺杂区的下方。8.根据权利要求7所述的电子水平仪，其特征在于，所述栅极为金属，所述摩擦层为与金属得电能力不同的薄膜材料。9.根据权利要求8所述的电子水平仪，其特征在于，所述摩擦层为聚四氟乙烯。10.—种液态金属栅控摩擦电子学晶体管，其特征在于，包括：场效应晶体管；摩擦纳米发电机，位于场效应晶体管的上方;其中，摩擦纳米发电机包括摩擦层和液态金属，摩擦层为空腔结构，液态金属位于所述空腔内。

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