Nanotråde har overlegen elektrisk, mekaniske egenskaber og kan bruges i tryksensorer

Miniaturiserede tryksensorer er meget udbredt i mekaniske og biomedicinske applikationer, for eksempel, i måling af brændstoftryk i biler eller i overvågning af blodtryk hos patienter. Woo-Tae Park og kolleger ved A*STAR Institute of Microelectronics1 har nu udviklet en nanotråd-baseret sensor, der er så følsom, at den kan registrere selv meget lave trykændringer.

De fleste miniaturiserede tryksensorer udnytter de iboende egenskaber af piezoresistive materialer. En strukturel ændring i et sådant materiale, induceret for eksempel af en ekstern kraft, resulterer i en komplementær ændring i dens elektriske modstand. Imidlertid, piezoresistive materialer har to store begrænsninger. For det første, disse materialer er ikke særlig følsomme, hvilket betyder, at lave tryk giver svage elektroniske signaler. For det andet disse materialer kan generere meget elektrisk støj, som kan maskere det sande målesignal. En ideel transducer bør have et højt signal-til-støj-forhold (SNR). Park og hans medarbejdere har nu brugt nanotråde til at skabe en tryksensor med forbedrede SNR-egenskaber.

Tidligere forskning har vist, at nanotråde kan udvise høje piezoresistive effekter på grund af deres lille størrelse. For at drage fordel af dette, Park og hans medarbejdere brugte state-of-the-art materialebehandlingsteknikker til at suspendere to silicium nanotråde mellem to elektroder på et silicium-på-isolator-substrat. Hver ledning var et par hundrede nanometer lang og cirka 10 nanometer bred. De var dækket af amorft silicium, som både beskyttede dem og fungerede som en elektrisk forbindelse, omtalt som porten. Hertil knyttede forskerne en cirkulær membran:en tolagsmembran af siliciumnitrid og siliciumdioxid. Enhver spænding i membranen blev derfor overført til nanotrådsstrukturen.

Holdet karakteriserede deres sensor ved at sende en kontrolleret luftstrøm hen over den. Ammetre målte strømmen, der strømmede gennem enheden, da et kendt elektrisk potentiale blev påført over de to elektroder. En ekstra spænding, gate bias, blev også påført mellem en af ​​elektroderne og porten. Park og hans medarbejdere demonstrerede, at de kunne opnå en firedobling af trykfølsomheden ved at vende retningen af ​​denne gate bias. Det her, de tror, er et resultat af den forspænding, der styrer indespærringen af ​​elektronerne i nanotrådskanalerne - et koncept, der almindeligvis anvendes i såkaldte felteffekttransistorer. En vurdering af enhedens støjkarakteristika viste også betydelige forbedringer med det rigtige valg af driftsparametre.

Park og hans medarbejdere mener, at enheden giver en lovende rute til applikationer, der kræver miniaturiserede tryksensorer, der bruger lidt strøm.