一種壓電傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種壓電傳感器，用以實現全方位的壓力感測。本實用新型提供的壓電傳感器，包括第一電極層、第二電極層和位于第一電極層與第二電極層之間的壓電薄膜層，所述壓電傳感器還包括：用于感測第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測第二方向上的壓力的第二功能模塊，所述第一功能模塊和所述第二功能模塊分別與所述第二電極層相連接，其中，所述第一方向和第二方向相互垂直。
【專利說明】
一種壓電傳感器
技術領域
[0001]本實用新型涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種壓電傳感器。
【背景技術】
[0002]硅電子器件是微電子科技中最重要的一類器件，它對上個世紀的科技發展起了重要的影響。而碳基電子器件在本世紀初，已經顯示出巨大的技術潛能，特別是碳納米管，由于其具有良好電學、光學和力學等性能，集各種物理化學性能于一體，目前醫療傳感器、電子皮膚等諸多醫療及穿戴式器件，都嘗試采用碳納米管進行全柔性碳納米管薄膜晶體管(CNT-TFT)的開發研究。
[0003]壓電傳感器是依據電介質壓電效應研制的一類傳感器。所謂壓電效應是指某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應。
[0004]現有的壓電傳感器，均是在硅芯片上完成所有的傳感器元件相關的薄膜制作。硅芯片在制作壓電薄膜層時，將采用高溫600 °C?700 °C的Oven退火工藝，其余相關集成電路也將是采用傳統半導體制程，這樣最終將只能得到剛性壓電傳感器元件，并且，這些壓電傳感器也僅限于單方向上的壓力感測。
[0005]綜上所述，現有的壓電傳感器僅能實現單方向的壓力感測，無法實現全方位的壓力感測。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型實施例提供了一種壓電傳感器，用以實現全方位的壓力感測。
[0007]本實用新型實施例提供的一種壓電傳感器，包括第一電極層、第二電極層和位于第一電極層與第二電極層之間的壓電薄膜層，所述壓電傳感器還包括:用于感測第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測第二方向上的壓力的第二功能模塊，所述第一功能模塊和所述第二功能模塊分別與所述第二電極層相連接，其中，所述第一方向和第二方向相互垂直。
[0008]本實用新型實施例提供的壓電傳感器，通過用于感測第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測第二方向上的壓力的第二功能模塊，分別與壓電傳感器中包括的第二電極層相連接，從而，當壓電傳感器受到不同方向上的壓力時，可通過不同的功能模塊感測不同方向上壓力的變化，實現全方位的壓力感測。
[0009]較佳地，所述第一功能模塊包括第一薄膜晶體管TFT，所述第一TFT的源極連接所述第二電極層的第一電極接觸端，漏極連接第一數據線，柵極連接第一柵極線；
[0010]所述第二功能模塊包括第二TFT，所述第二 TFT的源極連接所述第二電極層的第二電極接觸端，漏極連接第二數據線，柵極連接第二柵極線;其中，所述第一TFT為P型TFT，所述第二 TFT為N型TFT。
[0011]較佳地，所述第一TFT和所述第二 TFT共用同一層碳納米管薄膜作為導電溝道層。
[0012]通過同一層碳納米管薄膜作為第一TFT和第二 TFT共用的導電溝道層，在工藝制作上簡單，并且由于碳納米管具有優良的伸縮性、優秀的光電熱性、較高的穩定性等特征，采用碳納米管薄膜制作的TFT可實現更好的電學特性。
[0013]較佳地，形成所述第一TFT的源極和漏極的第一金屬的功函數，大于形成所述第二TFT的源極和漏極的第二金屬的功函數。
[0014]由于不同功函數的金屬與碳納米管薄膜相接觸形成的載流子的勢皇不同，因此可以實現不同方向的壓力下壓電傳感器的第二電極層感應出的電荷去開啟不同導電類型(即P型和N型)的TFT，進而通過該TFT實現該方向上的壓力感測。
[0015]較佳地，所述第一TFT的源極和漏極，以及所述第二 TFT的源極和漏極均與所述碳納米管薄膜相接觸;所述第一金屬的費米能級與所述碳納米管薄膜的價帶之間的距離，小于所述第一金屬的費米能級與所述碳納米管薄膜的導帶之間的距離;所述第二金屬的費米能級與所述碳納米管薄膜的導帶之間的距離，小于所述第二金屬的費米能級與所述碳納米管薄膜的價帶之間的距離。
[0016]較佳地，所述第一金屬為鈀Pd，所述第二金屬為鈧Sc。
[0017]較佳地，在形成所述第一TFT的源極和漏極的第一金屬Pd的底部還包括金屬鈦Ti。
[0018]從而，提高了金屬在碳納米管薄膜上的粘附性和浸潤性。
[0019]較佳地，所述金屬Ti的厚度范圍為0.2nm?0.8nm。
[0020]較佳地，所述壓電傳感器還包括一絲素蛋白襯底，所述第二電極層、所述第一功能模塊和所述第二功能模塊均位于所述絲素蛋白襯底之上。
[0021]由于絲素蛋白具有良好的生物兼容性和優良的力學性能，可實現柔性壓電傳感器的制作。
【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型實施例提供的一種壓電傳感器的結構示意圖；
[0023]圖2為本實用新型實施例提供的壓電傳感器中受到不同方向上的壓力時其第一電極層和第二電極層中的電荷變化示意圖；
[0024]圖3為本實用新型實施例提供的一種壓電傳感器的材料組成結構示意圖；
[0025]圖4為本實用新型實施例提供的一種壓電傳感器的元件電路示意圖；
[0026]圖5為本實用新型實施例提供的一種壓電傳感器檢測壓力感應的工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0027]本實用新型實施例提供了一種壓電傳感器，用以實現全方位的壓力感測。
[0028]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0029]本實用新型實施例提供的一種壓電傳感器，包括第一電極層、第二電極層和位于第一電極層與第二電極層之間的壓電薄膜層，所述壓電傳感器還包括:用于感測第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測第二方向上的壓力的第二功能模塊，所述第一功能模塊和所述第二功能模塊分別與所述第二電極層相連接，其中，所述第一方向和第二方向相互垂直。
[0030]所述第一方向，例如可以為垂直方向，所述第二方向，例如可以為水平方向。所述第一電極層，例如可以為上電極層，所述第二電極層，例如可以為下電極層。
[0031]作為一種實現方式，所述第一功能模塊可以包括第一薄膜晶體管(ThinFilmTransistor，TFT)，所述第一TFT的源極連接所述第二電極層的第一電極接觸端，漏極連接第一數據線，柵極連接第一柵極線；
[0032]所述第二功能模塊可以包括第二TFT，所述第二 TFT的源極連接所述第二電極層的第二電極接觸端，漏極連接第二數據線，柵極連接第二柵極線；其中，所述第一TFT為P型TFT，所述第二 TFT為N型TFT。
[0033]這樣，當壓電傳感器中的壓電薄膜層受到一個方向上的壓力后，在第一電極層和第二電極層上會產生正負相反的電荷，隨著施加的壓力的方向不同，在第二電極層上產生的電荷的正負也會發生相應地變化，從而，根據第二電極層上正負電荷的變化，可以開啟相應的導電類型(P型或N型)的TFT進行工作，從而通過處于工作狀態的TFT就可以感測出相應方向上的壓力。
[0034]較佳地，所述第一TFT和所述第二 TFT共用同一層碳納米管薄膜作為導電溝道層。
[0035]較佳地，當所述第一 TFT為P型TFT，所述第二 TFT為N型TFT時，形成所述第一 TFT的源極和漏極的第一金屬的功函數，大于形成所述第二 TFT的源極和漏極的第二金屬的功函數。
[0036]當采用不同功函數的金屬作為源漏電極時，不同功函數的金屬與導電溝道層相接觸形成的載流子的勢皇不同，例如可以形成電子勢皇或者空穴勢皇，電子勢皇即對電子的阻擋作用比較大，空穴勢皇即對空穴的阻擋作用比較大，因此可以實現不同方向的壓力下壓電傳感器的第二電極層感應出的電荷去開啟不同導電類型(即P型和N型)的TFT，進而通過該TFT實現該方向上的壓力感測。
[0037]較佳地，所述第一TFT的源極和漏極，以及所述第二 TFT的源極和漏極均與所述碳納米管薄膜相接觸;所述第一金屬的費米能級與所述碳納米管薄膜的價帶之間的距離，小于所述第一金屬的費米能級與所述碳納米管薄膜的導帶之間的距離;所述第二金屬的費米能級與所述碳納米管薄膜的導帶之間的距離，小于所述第二金屬的費米能級與所述碳納米管薄膜的價帶之間的距離。
[0038]例如，第一 TFT為P型TFT，第二 TFT為N型TFT，第一 TFT的源極和漏極均采用金屬鈀(Pd)，Pd的功函數為5.leV，第二TFT的源極和漏極均采用金屬鈧(Sc)，Sc的功函數為3.3eV，第一 TFT和第二 TFT共用同一層碳納米管薄膜作為導電溝道層，本征碳納米管的費米能級為
4.5eV。并且，由于金屬Pd的費米能級與碳納米管的價帶之間的距離，小于金屬Pd的費米能級與碳納米管的導帶之間的距離，也就是金屬Pd的費米能級相對靠近碳納米管的價帶，因此，當金屬Pd與碳納米管相接觸時，在兩者的接觸處，會形成電子勢皇，該電子勢皇對電子的阻擋非常大，而對于空穴的阻擋較小，這樣，若所述壓電薄膜層受到第一方向的壓力后，若第二電極層積累的電荷為正電荷(可以理解為是空穴)，該正電荷就很容易通過由金屬Pd形成的源極而注入碳納米管，進而在第一TFT內形成空穴電流，使得第一TFT開啟。由于金屬Sc的費米能級與碳納米管的導帶之間的距離，小于Pd的費米能級與碳納米管的價帶之間的距離，也就是金屬Sc的費米能級相對靠近碳納米管的導帶，因此，當金屬Sc與碳納米管相接觸時，在兩者的接觸處，會形成空穴勢皇，該空穴勢皇對空穴的阻擋非常大，而對于電子的阻擋較小，這樣，若所述壓電薄膜層受到第二方向的壓力后，若第二電極層積累的電荷為負電荷(可以理解為是電子)，該負電荷就很容易通過由金屬Sc形成的源極而注入碳納米管，進而在第二 TFT內形成電子電流，使得第二 TFT開啟。
[0039]較佳地，所述壓電傳感器還包括一絲素蛋白襯底，所述第二電極層、所述第一功能模塊和所述第二功能模塊均位于所述絲素蛋白襯底之上。
[0040]作為一種實現方式，本實用新型實施例提供的壓電傳感器的結構如圖1所示。其中包括絲素蛋白襯底11，以及在絲素蛋白襯底11之上的第二電極層12、壓電薄膜層13、第一電極層14和第一TFT 15、第二TFT 16。第一TFT 15為P型TFT，包括源極(Source)，為了與第二TFT 16的源極相區分，在圖中用Source-1表示;漏極(Drain)，為了與第二 TFT 16的漏極相區分，在圖中用Drain-1表示；柵極(Gate)，為了與第二 TFT 16的柵極相區分，在圖中用Gate-1表示;碳納米管(CNT)導電溝道(Channel)層，與第二 TFT 16共用;柵絕緣層(GI) 17，與第二 TFT 16共用。第二 TFT 16為N型TFT，包括源極，在圖中用Source-2表示;漏極，在圖中用Drain-2表示;柵極，在圖中用Gate-2表示;CNT導電溝道層，與第一TFT 15共用;柵絕緣層17，與第一 TFT 15共用。
[0041 ]其中，Source-1與第二電極層12的一個電極接觸端相連接，該電極接觸端向Source-1提供負的電源電壓(VDD-1) ,Drain-1連接第一數據線(BL-1)，Gate-1連接第一柵極線(WL-1) ； Source-2與第二電極層12的另一個電極接觸端相連接，該電極接觸端向Source-2提供正的電源電壓(VDD-2)，Drain-2連接第二數據線(BL_2)，Gate-2連接第二柵極線(WL-2)。
[0042]圖2所示為本實用新型實施例提供的壓電傳感器受到不同方向上的壓力時其第一電極層14和第二電極層12中的電荷變化示意圖。
[0043]當本實用新型實施例提供的壓電傳感器受到不同方向上的壓力作用時，壓電薄膜層13中的晶體將產生壓縮變形，正負離子相對位置隨之變動，具體如下:
[0044]I)當壓電傳感器受到垂直方向上的壓力作用時，第二電極層12積累正電荷，第一電極層14積累負電荷，如圖2中的(a)所示；
[0045]2)當壓電傳感器受到水平方向上的壓力作用時，第二電極層12積累負電荷，第一電極層14積累正電荷，如圖2中的(b)所示。
[0046]圖3所示為本實用新型實施例提供的一種壓電傳感器的材料組成結構示意圖。
[0047]本實用新型實施例提供的壓電傳感器的每一部分選用的材料如圖3中所示，分別為:
[0048]該壓電傳感器的襯底11為絲素蛋白(Silk fibroin)襯底，即襯底11的材料選用絲素蛋白。其中，絲素蛋白為從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，具有良好的生物兼容性和優良的力學性能，可以經過不同處理得到不同形態，如溶液，膜及凝膠等。利用絲素蛋白作為壓電傳感器的襯底，可制作為全柔性的薄膜壓電傳感器。
[0049]該絲素蛋白襯底11上的第二電極層12和第一電極層14的材料選用金屬鈀(Pt)或鈦(Ti)，第二電極層12和第一電極層14之間的壓電薄膜層13的材料選用聚偏氟乙烯(PVDF)。其中，PVDF為有機壓電材料，擁有極強的壓電效應，柔韌性好、低密度、低阻抗、無毒、化學穩定性好，具備非常好的生物兼容性，已經應用于植入式醫療傳感器。當然，壓電薄膜層也可以選用其他的材料，例如鋯鈦酸鋇(BZT)或鋯鈦酸鉛(PZT)等。
[0050]該絲素蛋白襯底11上的第一TFT 15和第二 TFT 16采用同一層碳納米管薄膜作為共用的導電溝道層。其中，碳納米管具有優良的伸縮性，其光電性能非常優秀。碳納米管材料以其較高的穩定性，良好的生物相容性成為生物納米材料中的佼佼者，可以作為制備組織工程細胞生長支架、人工血管、藥物載體等基礎材料。具體地，本實用新型實施例中，選用碳納米管中的一種類型材料:高純半導體型單壁碳納米管(SC-SWNT)作為第一 TFT 15和第二 TFT 16共用的導電溝道層。
[0051 ] 第一 TFT 15的源極(Source-1)和漏極(Drain-1)選用的材料為金屬Pd，厚度為70nm，并且在制作源極和漏極時，在金屬Pd的底部增加一定厚度的金屬鈦(Ti)，以提高金屬在碳納米管薄膜上的粘附性和浸潤性，其中，金屬T i的厚度范圍可以為0.2nm?0.8nm，本實施例中，Ti的厚度選為0.5nm。第一 TFT 15的柵極(Gate-Ι)選用的材料為金屬Pd。
[0052]第二 TFT 16的源極(Source-2)和漏極(Drain-2)選用的材料為金屬Sc，厚度為30nm，第二 TFT 16的柵極(Gate-2)選用的材料為金屬Pd。
[0053]其中，金屬T1、Pd、Pt均為生物相容性較好的金屬元素。
[0054]第一 TFT 15和第二 TFT 16共用的柵絕緣層(GI)17選用的材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)0
[0055]基于圖3所示的壓電傳感器，其具體的工作原理如下:
[0056]當施加垂直方向上的壓力(參見圖3中所示的上下壓力感應)時，第二電極層12積累空穴，此時VDD-1為負電壓，該負電壓可提供為第一TFT 15的源漏電壓(Vds)。由于第一TFT 15的源極(Source-1)和漏極(Drain-1)選用的材料為金屬Pd，Pd與碳納米管薄膜層的接觸處形成電子勢皇，該電子勢皇對電子的阻擋很大，而對于空穴的阻擋很小，可以理解為第一 TFT 15的源漏電極與碳納米管的價帶形成對空穴的無勢皇接觸，當向Gate-1輸入負電壓信號時，作為導電溝道的碳納米管中形成空穴積累，由于第一TFT 15的源漏電極與碳納米管的接觸處形成的勢皇對空穴阻擋較小，因此，第二電極層12中的空穴很容易被注入并且通過碳納米管進而形成空穴電流，使得P型的第一 TFT 15開啟其工作狀態，施加壓力產生的壓電信號相應地轉化為電流信號。而此時，由于第二 TFT 16的源極(Source-2)和漏極(Drain-2)選用的材料為金屬Sc，Sc與碳納米管薄膜層的接觸處形成空穴勢皇，該空穴勢皇對空穴的阻擋很大，使得第二電極層12中的空穴無法通過Source-2進入碳納米管，因此，第二 TFT 16此時處于關斷狀態。從而，通過第一 TFT 15，就可以感測到外界施加的垂直方向的壓力。
[0057]當施加水平方向上的壓力(參見圖3中所示的左右壓力感應)時，第二電極層12積累電子，此時VDD-2為正電壓，該正電壓可提供為第二TFT 16的源漏電壓(Vds)。由于第二TFT 16的源極(Source-2)和漏極(Drain-2)選用的材料為金屬Sc，Sc與碳納米管薄膜層的接觸處形成空穴勢皇，該空穴勢皇對空穴的阻擋很大，而對于電子的阻擋很小，可以理解為第二 TFT 16的源漏電極與碳納米管的導帶形成對電子的無勢皇接觸，當向Gate-2輸入正電壓信號時，作為導電溝道的碳納米管中形成電子積累，由于第二TFT 16的源漏電極與碳納米管的接觸處形成的勢皇對電子阻擋較小，因此，第二電極層12中的電子很容易被注入并且通過碳納米管進而形成電子電流，使得N型的第二 TFT 16開啟其工作狀態，施加壓力產生的壓電信號相應地轉化為電流信號。而此時，由于第一 TFT 15的源極(Source-Ι)和漏極(Drain-1)與碳納米管薄膜層的接觸處形成電子勢皇，該電子勢皇對電子的阻擋很大，使得第二電極層12中的電子無法通過Source-1進入碳納米管，因此，第一 TFT 15此時處于關斷狀態。從而，通過第二 TFT 16，就可以感測到外界施加的水平方向的壓力。
[0058]圖4為本實用新型實施例提供的一種壓電傳感器的元件電路示意圖。
[0059]其中，Sensor表示由第一電極層、壓電薄膜層和第二電極層組成的常規壓力傳感器，該Sensor與TFT的源極(簡稱S)相連接。當WL為高電位時，與WL相連接的存儲單元打開，此時BL上就可以讀或寫數據到存儲單元。
[0060]圖5為本實用新型實施例提供的一種壓電傳感器檢測壓力感應的工作原理示意圖。
[0061]其中，橫軸表示柵極電壓(Vcs)，縱軸表示源漏電流(Ids)。可以看出，當沒有施加壓力時，Ids為O;當在一個方向上施加壓力時，Ids不為O，并且隨，Vgs的變化而變化。
[0062]需要說明的是，圖5所示為壓電傳感器中的P型TFT開啟并檢測壓力的工作原理示意圖，壓電傳感器中的N型TFT開啟并檢測壓力的工作原理與P型TFT類似，在此不再贅述。
[0063]本實用新型實施例提供的壓電傳感器，作為一種柔性的動態應變傳感器，可應用于醫療，汽車電子，運動追蹤系統等領域。尤其適用于可穿戴設備領域，醫療體外或植入人體內部的監測及治療使用，或者應用于人工智能的電子皮膚等領域。
[0064]顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權利要求及其等同技術的范圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。
【主權項】
1.一種壓電傳感器，其特征在于，所述壓電傳感器包括第一電極層、第二電極層和位于第一電極層與第二電極層之間的壓電薄膜層，所述壓電傳感器還包括:用于感測第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測第二方向上的壓力的第二功能模塊，所述第一功能模塊和所述第二功能模塊分別與所述第二電極層相連接，其中，所述第一方向和第二方向相互垂直。2.根據權利要求1所述的壓電傳感器，其特征在于，所述第一功能模塊包括第一薄膜晶體管TFT，所述第一薄膜晶體管TFT的源極連接所述第二電極層的第一電極接觸端，漏極連接第一數據線，柵極連接第一柵極線； 所述第二功能模塊包括第二 TFT，所述第二 TFT的源極連接所述第二電極層的第二電極接觸端，漏極連接第二數據線，柵極連接第二柵極線;其中，所述第一TFT為P型TFT，所述第二 TFT 為N型 TFT。3.根據權利要求2所述的壓電傳感器，其特征在于，所述第一TFT和所述第二 TFT共用同一層碳納米管薄膜作為導電溝道層。4.根據權利要求3所述的壓電傳感器，其特征在于，形成所述第一TFT的源極和漏極的第一金屬的功函數，大于形成所述第二 TFT的源極和漏極的第二金屬的功函數。5.根據權利要求4所述的壓電傳感器，其特征在于，所述第一TFT的源極和漏極，以及所述第二 TFT的源極和漏極均與所述碳納米管薄膜相接觸;所述第一金屬的費米能級與所述碳納米管薄膜的價帶之間的距離，小于所述第一金屬的費米能級與所述碳納米管薄膜的導帶之間的距離;所述第二金屬的費米能級與所述碳納米管薄膜的導帶之間的距離，小于所述第二金屬的費米能級與所述碳納米管薄膜的價帶之間的距離。6.根據權利要求5所述的壓電傳感器，其特征在于，所述第一金屬為鈀Pd，所述第二金屬為鈧Sc。7.根據權利要求6所述的壓電傳感器，其特征在于，在形成所述第一TFT的源極和漏極的第一金屬Pd的底部還包括金屬鈦Ti。8.根據權利要求7所述的壓電傳感器，其特征在于，所述金屬Ti的厚度范圍為0.2nm?0.8nmo9.根據權利要求1所述的壓電傳感器，其特征在于，所述壓電傳感器還包括一絲素蛋白襯底，所述第二電極層、所述第一功能模塊和所述第二功能模塊均位于所述絲素蛋白襯底之上。
【文檔編號】G01L1/16GK205620053SQ201620437455
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】田雪雁
【申請人】京東方科技集團股份有限公司