CN104613861B - 一种柔性有源应变或压力传感器结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性有源应变或压力传感器结构及制备方法，利用碳纳米管晶体管作为柔性有源场效应晶体管，采用柔性压电薄膜材料制备压电式的应变或压力传感器单元，并将压电传感器与有源场效应晶体管的栅极进行工艺集成，从而将压电传感信号通过碳纳米管场效应晶体管进行信号放大和输出，在实现对柔性应变或压力传感器有源控制的同时，也保证了压电式传感器较高的灵敏度，为该传感器的大面积和规模化应用提供了非常便捷的实现方法。

Description

一种柔性有源应变或压力传感器结构及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，更具体地，涉及一种柔性有源应变或压力传感器结构及制备方法。

背景技术

近年来，随着智能可穿戴产品的迅速发展，柔性传感器逐渐成为研究人员探索的热点课题之一。其中，柔性应变或压力传感器尤其受到越来越多的关注，其可潜在应用于构建人造电子皮肤，在未来健康医疗领域具有非常广阔的市场前景。此外，柔性压力传感器还是柔性触屏显示以及智能机器人应用中的核心元器件，这些都表明了柔性应变或压力传感器的潜在应用价值。

目前，对于柔性应变或压力传感器的研究可基于多种工作原理，包括电容式、压阻式、压电式等。其中，基于柔性压电薄膜材料(如聚偏氟乙烯及其共聚物)的压电式传感器，由于其对动态变化的应变或压力具有较高的灵敏度和响应时间而被广泛研究。

现在市场上已有一些基于聚偏氟乙烯(PVDF)的柔性应变或压力传感器原型产品面世，但是，这些原型产品基本都是基于平板电容结构的无源器件，从而很难实现大面积和规模化的应用。

与此同时，对于柔性有源应变或压力传感器的研究目前仍在探索之中，较多的研究结果报道了利用柔性有机晶体管实现传感器的有源输出和控制。但是，有机晶体管受限于有机半导体材料较低的载流子迁移率，很难得到高性能的器件特性，从而极大地制约了应变或压力传感器的灵敏度。

因此，目前研究人员仍然在积极探索合适的柔性晶体管结构，以实现柔性应变或压力传感器的有源输出和控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种柔性有源应变或压力传感器结构及制备方法，通过利用半导体性单壁碳纳米管晶体管作为柔性有源场效应晶体管，并采用柔性压电薄膜材料制备压电式的应变或压力传感器单元，可在实现对柔性应变或压力传感器有源控制的同时，保证压电式传感器较高的灵敏度。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种柔性有源应变或压力传感器结构，包括柔性压电传感器单元和形成于有机柔性衬底上的有源场效应晶体管，所述场效应晶体管的沟道由半导体性单壁碳纳米管薄膜、单根半导体性单壁碳纳米管或其平行阵列构成，所述半导体性单壁碳纳米管的二端分别耦合所述场效应晶体管的源漏电极，所述场效应晶体管具有背栅型或顶栅型栅极；所述压电传感器单元由柔性压电薄膜材料制成，其位于所述场效应晶体管的栅极之上，所述压电传感器单元通过其底端电极与所述栅极形成电学接触、通过其顶端电极与所述源极相连，并共同连接接地信号，所述漏极连接电源电压；其中，当压电传感器单元在受到外加应变或压力信号时，在压电薄膜上下表面的两个电极上产生电荷，从而在场效应晶体管的栅极和源极之间产生电位差，并通过场效应晶体管的转移特性转换为晶体管的输出电流，以通过监测场效应晶体管的输出电流变化，感知器件所受的外加应变或压力信号，实现应变或压力传感器特性，同时，利用场效应晶体管进行信号输出实现对传感器的有源控制。

优选地，所述柔性衬底材料采用聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯。

优选地，所述柔性压电薄膜材料包括聚偏二氟乙烯或偏二氟乙烯的铁电共聚物。

一种上述的柔性有源应变或压力传感器结构的制备方法，包括：在柔性衬底上制备由半导体性单壁碳纳米管构成沟道材料的场效应晶体管，并制备所述场效应晶体管源极、漏极和栅极的引出电极；在形成的所述场效应晶体管的栅极引出电极上制备作为压电传感器单元的柔性压电薄膜材料，以及在所述柔性压电薄膜的上、下表面制备其顶端、底端引出电极，使压电薄膜的下表面与场效应晶体管的栅极形成电学接触。

优选地，所述场效应晶体管的制备方法包括：在柔性衬底上制备背栅和沉积栅介质，然后，在所述栅介质上淀积半导体性单壁碳纳米管薄膜或从其他衬底上转移已生长形成的单根半导体性单壁碳纳米管或其平行阵列作为沟道材料，最后，在所述半导体性单壁碳纳米管二端上制备源极和漏极以及源极、漏极和栅极的引出电极。

优选地，所述场效应晶体管的制备方法包括：在柔性衬底上淀积半导体性单壁碳纳米管薄膜或从其他衬底上转移已生长形成的单根半导体性单壁碳纳米管或其平行阵列作为沟道材料，然后，在所述半导体性单壁碳纳米管二端上制备源极和漏极，最后，沉积栅介质和制备顶栅以及源极、漏极和栅极的引出电极。

优选地，所述柔性压电薄膜的制备方法包括：利用半导体封装工艺，将固态压电薄膜材料通过导电银胶粘贴在所述场效应晶体管栅极的引出电极表面，然后，加热烧结导电银胶，使所述压电薄膜的下表面与所述栅极形成电学接触。

优选地，所述柔性压电薄膜的制备方法包括：利用干膜光敏胶或感光油墨和传统光刻工艺，先在所述场效应晶体管栅极的引出电极表面形成光刻图形，然后，旋涂液态压电薄膜材料并将超出干膜光敏胶或感光油墨厚度的液态压电薄膜材料刮去，并加热固化液态压电薄膜材料，最后，再利用碱性去胶液去除干膜光敏胶或感光油墨，形成图形化的柔性压电薄膜。

优选地，所述柔性压电薄膜顶端引出电极的制备方法包括：首先，制备蒸镀掩膜版，在需要蒸镀金属引出电极的区域形成镂空图形，然后，利用蒸镀掩膜版和物理沉积工艺，在柔性压电薄膜的上表面制备金属引出电极；所述物理沉积工艺包括电子束蒸发、热蒸发或溅射。

优选地，所述柔性衬底材料包括聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯；所述柔性压电薄膜材料包括聚偏二氟乙烯或偏二氟乙烯的铁电共聚物。

从上述技术方案可以看出，本发明通过利用碳纳米管晶体管作为柔性有源场效应晶体管，采用柔性压电薄膜材料制备压电式的应变或压力传感器单元，并将压电传感器与有源场效应晶体管的栅极进行工艺集成，从而将压电传感信号通过碳纳米管场效应晶体管进行信号放大和输出。半导体性的单壁碳纳米管由于其具有非常高的载流子迁移率，其所制备的柔性场效应晶体管可表现出比有机晶体管更为优异的器件特性，在实现对柔性应变或压力传感器有源控制的同时，也保证了压电式传感器较高的灵敏度。此外，本发明所提出的柔性有源应变或压力传感器结构及其制备方法也为该传感器的大面积和规模化应用提供了非常便捷的实现方法。

附图说明

图1是本发明一优选实施例的一种柔性有源应变或压力传感器结构的立体结构示意图；

图2是本发明一优选实施例的一种柔性有源应变或压力传感器结构的电路原理图；

图3～图5是本发明一优选实施例的一种柔性有源应变或压力传感器结构的制备方法对应的工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形、透明及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，先请参阅图1，图1是本发明一优选实施例的一种柔性有源应变或压力传感器结构的立体结构示意图。如图1所示，本发明的柔性有源应变或压力传感器结构，包括形成于有机柔性衬底1上的基于半导体性单壁碳纳米管4的有源场效应晶体管，以及基于柔性压电薄膜材料的柔性压电传感器单元8。

请继续参阅图1。所述场效应晶体管的沟道材料采用半导体性单壁碳纳米管4构成。所述半导体性单壁碳纳米管4可以由半导体性单壁碳纳米管薄膜、单根半导体性单壁碳纳米管或其平行阵列构成。所述半导体性单壁碳纳米管4的二端分别耦合所述场效应晶体管的源漏电极5和3，用于实现应变或压力传感信号的读取控制。

请继续参阅图1。所述压电传感器单元8由柔性压电薄膜材料制成，其位于所述场效应晶体管的栅极7之上。所述压电传感器单元8通过其底端电极(图中未显示)与所述场效应晶体管的栅极7形成电学接触，具体可以是通过其底端电极的下表面与所述栅极7的引出电极6上表面相接触，来与所述场效应晶体管的栅极7形成电学接触。所述压电传感器单元8还通过其顶端电极9与所述源极5相连，并共同连接接地信号(图略)。所述场效应晶体管的漏极3连接电源电压(图略)。

在上述本发明的柔性有源应变或压力传感器结构中，所述场效应晶体管既可采用图1所示的背栅型栅极结构，也可采用顶栅型栅极结构。

请继续参阅图1。在本发明的一具体实施例中，所述场效应晶体管采用了背栅型栅极7结构。作为一可选实施例，所述柔性衬底1可采用聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯材料制成。作为一实例，所述柔性衬底1可采用聚酰亚胺材料制成。在本实施例中，上述基于半导体性单壁碳纳米管的场效应晶体管的沟道材料采用碳纳米管平行阵列4进行制备。碳纳米管平行阵列4位于背栅7上，在背栅7表面和碳纳米管4之间覆盖有栅介质层2，栅介质层2用于隔离背栅7与碳纳米管4、源极和漏极5和3，避免其接触发生漏电。所述碳纳米管平行阵列4的二端上部分别耦合至所述场效应晶体管的源漏电极5、3。

当然，在其它实施例中，基于半导体性单壁碳纳米管的场效应晶体管亦可采用顶栅结构，其顶栅结构可以采用现有的结构，本发明对此不再赘述。

作为一可选实施例，所述压电传感器单元8可采用聚偏二氟乙烯(PVDF)或偏二氟乙烯的铁电共聚物(PVDF-TrFE)柔性压电薄膜材料制成。

请接着参阅图2，图2是本发明一优选实施例的一种柔性有源应变或压力传感器结构的电路原理图。其显示了本发明柔性有源应变或压力传感器器件的等效电路结构以及测试原理。如图2所示，基于压电薄膜Piezo Film的压电传感器单元的两端分别连接碳纳米管场效应晶体管CNT-FET的栅极和源极。该传感器在工作时，在碳纳米管场效应晶体管的漏极施加电源电压VDD，并将源极与压电薄膜连接端共同接地GND。当压电传感器单元在受到外加应变或压力信号时，在压电薄膜上下表面的两个电极上将会产生电荷，从而在碳纳米管场效应晶体管的栅极和源极之间产生电位差Vgs。该电位差可通过场效应晶体管的转移特性Ids-Vgs转换为晶体管的输出电流Ids，从而通过监测碳纳米管场效应晶体管的输出电流变化，即可感知器件所受的外加应变或压力信号，实现应变或压力传感器特性。同时，利用碳纳米管场效应晶体管进行信号输出也实现了对传感器的有源控制。

下面通过一具体实施例，对本发明的一种柔性有源应变或压力传感器结构的制备方法作详细说明。请参阅图3～图5，图3～图5是本发明一优选实施例的一种柔性有源应变或压力传感器结构的制备方法对应的工艺示意图。其显示制备一具有背栅结构场效应晶体管的柔性有源应变或压力传感器结构所对应的工艺步骤,例如，可用于制备图1所示的具有背栅结构的柔性有源应变或压力传感器结构。该具有背栅结构的柔性有源应变或压力传感器结构的制备方法，包括以下步骤：

在柔性衬底上制备由半导体性单壁碳纳米管构成沟道材料的场效应晶体管，并制备所述场效应晶体管源极、漏极和栅极的引出电极；在形成的所述场效应晶体管的栅极引出电极上制备作为压电传感器单元的柔性压电薄膜材料，以及在所述柔性压电薄膜的上、下表面制备其顶端、底端引出电极。

下面分别通过图3～图5，对上述制备方法包含的工艺步骤进行示例性说明。

请参阅图3。在本发明的一个较佳实施例中，基于半导体性单壁碳纳米管4的场效应晶体管为背栅7结构。其制备方法包括：在柔性衬底1上依次形成背栅7、栅介质层2、碳纳米管4(作为沟道材料)以及源极和漏极5和3，并制备源极5、漏极3的引出电极(图略)，以及栅极7的引出电极6。作为一可选实施例，作为沟道材料的碳纳米管4可以是半导体性单壁碳纳米管薄膜或从其他衬底上转移已生长形成的单根半导体性单壁碳纳米管或其平行阵列。在本实施例中，采用碳纳米管平行阵列4作为沟道材料。并且，碳纳米管平行阵列4可以先在其它衬底上制备，然后转移到柔性衬底1上。这是本领域技术人员可以知晓的，在这里对碳纳米管的制备和转移不再赘述。当然，现有的任何可以制备背栅结构的碳纳米管场效应晶体管的方法均可以应用于本发明。作为一可选实施例，所述柔性衬底1材料包括聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯。

请接着参阅图4。接下来，在碳纳米管场效应晶体管的栅极上制备作为压电传感器单元8的柔性压电薄膜材料。在本发明的一个较佳实施例中，在碳纳米管场效应晶体管的栅极上制备柔性压电薄膜材料的方法包括：利用半导体封装工艺，将固态压电薄膜材料8(即用于形成压电传感器单元8)通过导电银胶(图略)粘贴在碳纳米管场效应晶体管栅极7的引出电极6表面。然后，再加热烧结导电银胶，使得压电薄膜8的下表面与场效应晶体管的栅极7形成电学接触。

在本发明的另一个较佳实施例中，在碳纳米管场效应晶体管的栅极上制备柔性压电薄膜材料的方法包括：利用干膜光敏胶或感光油墨和传统光刻工艺，先在碳纳米管场效应晶体管栅极7的引出电极6表面形成光刻图形。然后，旋涂液态压电薄膜材料并将超出干膜光敏胶或感光油墨厚度的液态压电薄膜材料刮去，接着，加热固化液态压电薄膜材料，最后，再利用碱性去胶液去除干膜光敏胶或感光油墨，形成图形化的柔性压电薄膜8。

作为一可选实施例，所述柔性压电薄膜材料可采用聚偏二氟乙烯(PVDF)或偏二氟乙烯的铁电共聚物(PVDF-TrFE)等。

请接着参阅图5。最后，在柔性压电薄膜8(即压电传感器单元8)的上表面制备引出电极9，从而最终形成柔性有源应变或压力传感器结构。应用本方法所形成的柔性有源应变或压力传感器结构，可以与图1所示的柔性有源应变或压力传感器结构相一致。在本发明的一个较佳实施例中，在柔性压电薄膜的上表面制备引出电极的方法包括：首先，制备蒸镀掩膜版(ShadowMask)，即在需要蒸镀金属引出电极的区域形成镂空图形。然后，利用蒸镀掩膜版和物理沉积工艺，在柔性压电薄膜8的上表面制备图形化的金属引出电极9。作为一可选实施例，所述物理沉积工艺可包括电子束蒸发、热蒸发或溅射等。至此，本发明所提出的柔性有源应变或压力传感器结构即全部制备完成。

在本发明的另一个较佳实施例中，基于半导体性单壁碳纳米管的场效应晶体管也可以是顶栅结构，其制备方法包括：在柔性衬底上依次形成碳纳米管、源极、漏极、栅介质层和顶栅(图略)。这里，现有的任何可以制备顶栅结构的碳纳米管场效应晶体管的方法均可以应用于本发明。

综上所述，本发明所提出的柔性有源应变或压力传感器结构，采用碳纳米管晶体管作为柔性有源场效应晶体管，采用柔性压电薄膜材料制备压电式的应变或压力传感器单元，并将压电传感器与有源场效应晶体管的栅极进行工艺集成，通过碳纳米管晶体管实现压电信号的转换与输出，从而实现柔性有源应变或压力传感器功能。由于碳纳米管晶体管相比有机晶体管具有更为优异的器件性能，从而保证了压电式传感器较高的灵敏度。此外，本发明所提出的柔性有源应变或压力传感器结构及其制备方法也为该传感器的大面积和规模化应用提供了非常便捷的实现方法。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性有源应变或压力传感器结构，其特征在于，包括柔性压电传感器单元和形成于有机柔性衬底上的有源场效应晶体管，所述场效应晶体管的沟道由半导体性单壁碳纳米管薄膜、单根半导体性单壁碳纳米管或其平行阵列构成，所述半导体性单壁碳纳米管的二端分别耦合所述场效应晶体管的源漏电极，所述场效应晶体管具有背栅型或顶栅型栅极；所述压电传感器单元由柔性压电薄膜材料制成，其位于所述场效应晶体管的栅极之上，所述压电传感器单元通过其底端电极与所述栅极形成电学接触、通过其顶端电极与所述源极相连，并共同连接接地信号，所述漏极连接电源电压；其中，当压电传感器单元在受到外加应变或压力信号时，在压电薄膜上下表面的两个电极上产生电荷，从而在场效应晶体管的栅极和源极之间产生电位差，并通过场效应晶体管的转移特性转换为晶体管的输出电流，以通过监测场效应晶体管的输出电流变化，感知器件所受的外加应变或压力信号，实现应变或压力传感器特性，同时，利用场效应晶体管进行信号输出实现对传感器的有源控制。

2.根据权利要求1所述的柔性有源应变或压力传感器结构，其特征在于，所述柔性衬底材料采用聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯。

3.根据权利要求1所述的柔性有源应变或压力传感器结构，其特征在于，所述柔性压电薄膜材料包括聚偏二氟乙烯或偏二氟乙烯的铁电共聚物。

4.一种权利要求1所述的柔性有源应变或压力传感器结构的制备方法，其特征在于，包括：在柔性衬底上制备由半导体性单壁碳纳米管构成沟道材料的场效应晶体管，并制备所述场效应晶体管源极、漏极和栅极的引出电极；在形成的所述场效应晶体管的栅极引出电极上制备作为压电传感器单元的柔性压电薄膜材料，以及在所述柔性压电薄膜的上、下表面制备其顶端、底端引出电极，使压电薄膜的下表面与场效应晶体管的栅极形成电学接触。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述场效应晶体管的制备方法包括：在柔性衬底上制备背栅和沉积栅介质，然后，在所述栅介质上淀积半导体性单壁碳纳米管薄膜或从其他衬底上转移已生长形成的单根半导体性单壁碳纳米管或其平行阵列作为沟道材料，最后，在所述半导体性单壁碳纳米管二端上制备源极和漏极以及源极、漏极和栅极的引出电极。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述场效应晶体管的制备方法包括：在柔性衬底上淀积半导体性单壁碳纳米管薄膜或从其他衬底上转移已生长形成的单根半导体性单壁碳纳米管或其平行阵列作为沟道材料，然后，在所述半导体性单壁碳纳米管二端上制备源极和漏极，最后，沉积栅介质和制备顶栅以及源极、漏极和栅极的引出电极。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述柔性压电薄膜的制备方法包括：利用半导体封装工艺，将固态压电薄膜材料通过导电银胶粘贴在所述场效应晶体管栅极的引出电极表面，然后，加热烧结导电银胶，使所述压电薄膜的下表面与所述栅极形成电学接触。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述柔性压电薄膜的制备方法包括：利用干膜光敏胶或感光油墨和传统光刻工艺，先在所述场效应晶体管栅极的引出电极表面形成光刻图形，然后，旋涂液态压电薄膜材料并将超出干膜光敏胶或感光油墨厚度的液态压电薄膜材料刮去，并加热固化液态压电薄膜材料，最后，再利用碱性去胶液去除干膜光敏胶或感光油墨，形成图形化的柔性压电薄膜。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述柔性压电薄膜顶端引出电极的制备方法包括：首先，制备蒸镀掩膜版，在需要蒸镀金属引出电极的区域形成镂空图形，然后，利用蒸镀掩膜版和物理沉积工艺，在柔性压电薄膜的上表面制备金属引出电极；所述物理沉积工艺包括电子束蒸发、热蒸发或溅射。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述柔性衬底材料包括聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯；所述柔性压电薄膜材料包括聚偏二氟乙烯或偏二氟乙烯的铁电共聚物。