Miniatyriserade trycksensorer används ofta i mekaniska och biomedicinska tillämpningar, till exempel, vid mätning av bränsletryck i bilar eller vid övervakning av blodtryck hos patienter. Woo-Tae Park och medarbetare vid A*STAR Institute of Microelectronics1 har nu utvecklat en nanotrådsbaserad sensor som är så känslig att den kan upptäcka även mycket låga tryckförändringar.

De flesta miniatyriserade trycksensorer utnyttjar de inneboende egenskaperna hos piezoresistiva material. En strukturell förändring i ett sådant material, inducerad till exempel av en yttre kraft, resulterar i en komplementär förändring i dess elektriska resistans. Dock, piezoresistiva material har två stora begränsningar. För det första, dessa material är inte särskilt känsliga, vilket innebär att låga tryck ger svaga elektroniska signaler. För det andra, dessa material kan generera mycket elektriskt brus, som kan maskera den sanna mätsignalen. En idealisk givare bör ha ett högt signal-brusförhållande (SNR). Park och hans medarbetare har nu använt nanotrådar för att skapa en trycksensor med förbättrade SNR-egenskaper.

Tidigare forskning har visat att nanotrådar kan uppvisa höga piezoresistiva effekter på grund av sin lilla storlek. För att dra nytta av detta, Park och hans medarbetare använde toppmodern materialbearbetningsteknik för att suspendera två nanotrådar av kisel mellan två elektroder på ett kisel-på-isolatorsubstrat. Varje tråd var några hundra nanometer lång och ungefär 10 nanometer bred. De var täckta av amorft kisel som både skyddade dem och fungerade som en elektrisk anslutning, kallas porten. Forskarna fäste till detta ett cirkulärt membran:ett tvåskiktsmembran av kiselnitrid och kiseldioxid. Eventuell spänning i diafragman överfördes därför till nanotrådsstrukturen.

Teamet karakteriserade sin sensor genom att skicka en kontrollerad luftström över den. Amperemetrar mätte strömmen som flödade genom enheten eftersom en känd elektrisk potential applicerades över de två elektroderna. En extra spänning, grindförspänningen, applicerades också mellan en av elektroderna och grinden. Park och hans medarbetare visade att de kunde uppnå en fyrfaldig ökning av tryckkänsligheten genom att vända riktningen på denna grindförspänning. Detta, de tror, är ett resultat av förspänningen som styr inneslutningen av elektronerna inom nanotrådskanalerna - ett koncept som vanligtvis används i så kallade fälteffekttransistorer. En bedömning av enhetens bulleregenskaper visade också betydande förbättringar med rätt val av driftsparametrar.

Park och hans medarbetare tror att enheten ger en lovande väg för applikationer som kräver miniatyriserade trycksensorer som använder lite ström.