一种场效应晶体管式磁传感器、其制备方法与使用方法技术

本发明专利技术提供了一种场效应晶体管式磁传感器，具有场效应晶体管结构，包括半导体基底，源极、漏极与栅极；其中，半导体基底由基底层与位于该基底层表面的半导体层组成，并且基底层与半导体层之间电绝缘，基底层具有磁致伸缩效应，半导体层具有压电效应；工作状态时，外界磁场作用于基底层时场效应晶体管的电信号发生改变，通过测试该电信号实现磁场的探测。该磁传感器结构简单，并且由于结合了场效应晶体管的信号放大作用，能够实现高灵敏度的磁场探测。

【技术实现步骤摘要】
一种场效应晶体管式磁传感器、其制备方法与使用方法
本专利技术涉及磁场探测技术，具体涉及一种场效应晶体管式磁传感器、其制备方法与使用方法。
技术介绍
磁传感器是传感器中的一个重要组成部分，是把磁学信号变换成为电信号等其他所需形式的信息输出的传感器。经过近一个世纪的发展，磁传感器在人类社会生活的各个方面发挥着越来越来重要的作用，每年全世界有数以十亿计的磁传感器投入使用。伴随着磁传感器的日臻完善，各行各业对其提出了越来越高的要求，尤其是要求其探测精度越来越高，同时要求其使用量程越来越宽，进一步拓宽应用领域，以满足实际应用的需求。因此，具有高的探测精度同时具有宽的使用量程是磁传感器新的发展方向之一，也越来越受到了研究学者的广泛关注。目前，较为常见的磁传感器主要有以下几类：霍尔(Hall)传感器、磁通门和电流感应磁传感器、磁电阻型传感器等。从目前的研究现状来看，室温下磁传感器的探测精度与量程通常是顾此失彼。因此，制备即满足高的探测精度又能实现宽的探测量程的磁场传感器仍然是一大挑战，寻求新型的磁传感器是目前努力的方向之一。
技术实现思路
针对上述技术现状，本专利技术提供一种磁传感器，具有场效应晶体管结构，包括半导体基底，以及与半导体基底相电连接的源极、漏极与栅极；其中，半导体基底由基底层与位于该基底层表面的半导体层组成，并且基底层与半导体层之间电绝缘，基底层具有磁致伸缩效应，半导体层具有压电效应。工作状态时，外界磁场作用于基底层，由于磁致伸缩材料与压电材料存在着磁电耦合效应，磁致伸缩材料产生应力或应变传递到半导体层，半导体层的压电材料由于压电效应而产生电荷，从而改变了场效应晶体管沟道中载流子的浓度，引起场效应晶体管的电信号改变，通过测试该电信号实现该外界磁场的探测。所述的半导体基底即为场效应晶体管中的半导体基底。所述的基底层具有磁致伸缩效应，即基底层材料是磁致伸缩材料，其种类不限；作为优选，所述的基底层材料具有大的磁致伸缩系数，以提高探测灵敏度；作为进一步优选，所述的基底层材料采用具有高饱和场、大磁致伸缩系数的磁致伸缩材料与强制磁致伸缩系数大的非晶软磁材料复合，以同时实现宽量程的磁场探测。所述的具有高饱和场、大磁致伸缩系数的磁致伸缩材料包括但不限铁镓(FeGa)或者铽镝铁(TeDyFe)等；所述的强制磁致伸缩系数大的非晶软磁材料包括但不限于铁硅硼(FeSiB)或者钴铁硅(CoFeSi)等。作为进一步优选，所述的基底层材料为柔性磁致伸缩材料，例如柔性镍箔等，所述的半导体层为该柔性磁致伸缩材料上的低厚度的薄膜层，所述的源极、漏极与栅极均为低厚度的薄膜材料，因而基底层材料能够进行拉伸、扭转、折叠等变形，从而能够满足柔性应用领域的需要，例如应用于可穿戴设备等。所述的半导体层具有压电效应，即，所述的半导体材料是压电材料，其种类不限，包括氧化锌、氮化镓等。所述的基底层与半导体层之间电绝缘，作为一种实现方式，在基底层与半导体层之间设置绝缘层，例如氧化铝薄膜层等。所述的源极即为场效应晶体管中的源极，其材料不限，包括金属材料等；作为优选，所述的源极采用金(Au)薄膜材料或者钛(Ti)薄膜材料。所述的漏极即为场效应晶体管中的漏极，其材料不限，包括金属材料等；作为优选，所述的漏极采用金(Au)薄膜材料或者钛(Ti)薄膜材料。所述的场效应晶体管的电信号包括但不限于场效应晶体管的源漏极电流、沟道电子迁移率等。本专利技术还提供了一种制备上述场效应晶体管式磁传感器的方法，包括如下步骤：(1)场效应晶体管的半导体基底的制备在基底层上采用磁控溅射的方法生长半导体材料；(2)场效应晶体管的源极制备在半导体基底上通过微加工工艺制备源极，作为优选，采用紫外光刻方法制备源极图案，然后采用磁控溅射方法在该源极图案表面制备源极；作为进一步优选，制备源极之后进行快速退火热处理，以进一步确保形成欧姆接触；(3)场效应晶体管的漏极制备在半导体基底上通过微加工工艺制备漏极，作为优选，采用紫外光刻方法制备漏极图案，然后采用磁控溅射方法在该漏极图案表面制备漏极；作为进一步优选，制备漏极之后进行快速退火热处理，以进一步确保形成欧姆接触；(4)场效应晶体管的栅极制备在半导体基底上通过微加工工艺制备栅极，作为优选，采用紫外光刻方法制备栅极图案，然后采用脉冲激光、化学旋涂，或者磁控溅射方法生长栅极材料；作为进一步优选，制备栅极之后进行快速退火热处理，以进一步确保形成肖特基接触；本专利技术的场效应晶体管式磁传感器的使用方法包括如下步骤：(1)对磁传感器的基底层施加固定的外加磁场，测试该磁传感器中场效应晶体管在一定测试条件下的电信号，例如输出特性曲线、转移特性曲线等，改变外加磁场的大小，得到一系列在某一固定外加磁场下的参考电信号；(2)保持与步骤(1)中的测试条件相同，测试该磁传感器中场效应晶体管的实际电信号，将该实际电信号与步骤(1)中得到的参考电信号进行比对，与之相同的参考电信号所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。综上所述，本专利技术采用场效应晶体管结构构成一种新型的磁传感器，通过晶体管结构设计，将半导体基底设计为由压电材料构成的半导体层与磁致伸缩材料构成的基底层组成，工作状态时外界磁场作用于基底层，由于磁致伸缩效应其产生机械运动并作用于半导体层，在压电效用作用下使得场效应晶体管沟道中的载流子浓度变化，引起场效应晶体管的电信号参数改变，通过测试该电信号实现磁场的探测。另外，该磁传感器结合了场效应晶体管的信号放大作用，实现了高灵敏度的磁场探测，尤其是当采用具有高饱和场、大磁致伸缩系数的材料与强制磁致伸缩系数大的非晶软磁材料复合作为基底层材料时，能够制得不仅具有高的探测精度，又能实现宽的探测量程的磁场传感器，可探测的外界磁场范围从纳特斯拉(nT)到特斯拉(T)量级，在磁传感器
中具有良好的应用前景。并且，当基底层材料为柔性磁致伸缩材料，半导体层为该柔性磁致伸缩材料上的低厚度的薄膜层，源极、漏极与栅极均为低厚度的薄膜材料时，该半导体基底能够进行拉伸、扭转、折叠等变形，从而能够满足柔性应用领域的需要，例如应用于可穿戴设备等。附图说明图1是本专利技术实施例中柔性磁传感器的结构示意图。具体实施方案下面结合附图与实施例，进一步阐明本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术，而不用于限制本专利技术的范围。图1中的附图标记为：源极1、栅极2、漏极3、半导体层4、基底层5。实施例1：本实施例中，磁传感器的结构如图1所示。该磁传感器具有场效应晶体管结构，由半导体基底、源极1、漏极3以及栅极2构成。源极1、漏极3与栅极2位于半导体基底上；其中，半导体基底由绝缘的基底层5与位于基底层5上的半导体层4组成，并且基底层5具有磁致伸缩效应，半导体层4具有压电效应。基底层5是厚度为5μm～50μm的柔性镍箔与厚度为10nm～1000nm的氧化铝薄膜构成，氧化铝薄膜用于绝缘该镍箔。半导体层4是厚度为10nm～500nm纳米的氧化锌薄膜。源极1是厚度为2nm～100nm的金薄膜、漏极3是厚度为2nm～100nm的钛薄膜，栅极4是厚度为2nm～100nm的金薄膜。上述磁传感器的制备方法包括如下步骤：(1)柔性基底层的制备采用原子层沉积或者磁控溅射方法在5μm～50μm的柔性镍箔表面生长10nm～1000nm氧化铝薄膜。(2)半本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种场效应晶体管式磁传感器，其特征是：包括半导体基底，以及与半导体基底相电连接的源极、漏极与栅极；其中，半导体基底由基底层与位于该基底层表面的半导体层组成，并且基底层与半导体层之间电绝缘，基底层具有磁致伸缩效应，半导体层具有压电效应；工作状态时，外界磁场作用于基底层，场效应晶体管的电信号发生改变，通过测试该电信号实现磁场的探测。

【技术特征摘要】
1.一种场效应晶体管式磁传感器，其特征是：包括半导体基底，以及与半导体基底相电连接的源极、漏极与栅极；其中，半导体基底由基底层与位于该基底层表面的半导体层组成，并且基底层与半导体层之间电绝缘，基底层具有磁致伸缩效应，半导体层具有压电效应；工作状态时，外界磁场作用于基底层，场效应晶体管的电信号发生改变，通过测试该电信号实现磁场的探测。2.如权利要求1所述的场效应晶体管式磁传感器，其特征是：所述的基底层材料是FeGa、TeDyFe、铁硅硼FeSiB、CoFeSi中的一种或者两种以上的复合材料。3.如权利要求1所述的场效应晶体管式磁传感器，其特征是：所述的半导体层材料是氧化锌、锆钛酸铅或者聚偏二氟乙烯。4.如权利要求1所述的场效应晶体管式磁传感器，其特征是：所述的源极是铝、金、钛中的一种或者几种；作为优选，所述的漏极是铝、金、钛中的一种或者几种；作为优选，所述的栅极是铝、金、钛中的一种或者几种。5.如权利要求1所述的场效应晶体管式磁传感器，其特征是：所述半导体基底为微纳米尺寸；作为优选，所述半导体基底的厚度为1微米～50微米。6.如权利要求5所述的场效应晶体管式磁传感器，其特征是：所述的源极、漏极与栅极均为微纳米尺寸；作为优选，所述源极、漏极与栅极的长度和宽度均为1微米～200微米，厚度为纳米级。7.如权利要求1所述的场效应晶体管式磁传感器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：巫远招，刘宜伟，李润伟，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33