CN105203019B - 一种柔性有源压力/应变传感器结构及其制作方法 - Google Patents

一种柔性有源压力/应变传感器结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性有源压力/应变传感器结构及其制作方法,在柔性压电薄膜上直接集成碳纳米管薄膜晶体管阵列,压电薄膜的电荷变化可直接改变碳纳米管薄膜晶体管器件的阈值电压,通过检测碳纳米管薄膜晶体管器件阵列输出特性大小,可以检测出压电薄膜的应变与压力大小,使得输出端信号处理变得更简单,而且不需要考虑电阻匹配问题,输出信号通过有源器件控制,静态功耗低,具有结构和工艺较简单、可减少工艺步骤及成本的优势。

Description

一种柔性有源压力/应变传感器结构及其制作方法
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,涉及一种基于碳纳米管薄膜器件的柔性有源压力/应变感应传感器结构及其制作方法。
背景技术
应变传感器薄膜主要用于各种应变、压力和加速度计的检测与监控上,例如应用在建筑物的结构监控上。这种应变监控通常采用金属薄片,通过电阻变化来检测应变的大小。更先进的技术是采用PVDF(Polyvinylidene Fluoride,聚偏氟乙烯)压电薄膜,它具有轻质柔软、灵敏度高、成本低等特点。
近年来,随着可穿戴设备、仿生机器人等技术领域的发展,对高灵敏度的柔性压力/应变传感器要求越来越多。除了PVDF压电薄膜,还有采用碳纳米管(Carbon nanotubes,CNT)与聚合物材料相结合制备高灵敏度柔性压力/应变传感器的方法,它利用了碳纳米管可拉升的特点以及碳纳米管薄膜电阻对形变的敏感特性。不过,目前这些产品和研究都主要是无源的应变传感器薄膜。
有源应变传感器薄膜采用有源器件与应变敏感膜相结合的方式,有源器件可以做成阵列,通过有源器件驱动压力感应膜,可以进一步提升敏感特性,并降低功耗(可以通过控制有源器件的开关来降低产品的静态功耗)。
有相关研究,如在文献“Chuan Wang,et al.User-interactive electronic skinfor instantaneous pressure visualization.Nature Materials,Vol 12,p889-p904(2013)”中,采用在碳纳米管薄膜上面增加PSR(Pressure sensitive rubber,压力敏感橡胶)的方式形成有源压力传感器件结构,PSR置于源端,外部压力通过PSR改变碳纳米管TFT(Thin Film Transistor,薄膜晶体管)器件的输出电阻,通过输出电流变化来感知压力大小,如图1a所示。其缺点是PSR电阻大小和TFT的输出电阻大小不容易匹配,当PSR电阻相比TFT输出电阻太小时,则会降低灵敏度。另外,在压力感应时,与PSR相连的TFT器件是常通的,有较大漏电存在,这会提高器件的静态功耗。
另一种方法是采用PVDF压电薄膜与栅相连,如图1b所示。在无外界压力时,TFT器件不导通;当施加外界压力,PVDF受压后感应电荷将改变TFT器件的有效阈值电压,从而使得TFT导通。通过检测电流变化能感知外界压力大小。它的优点是TFT器件是常关的,只有当有压力时才会有较大电流通过,因此器件的静态功耗较低。公开号为CN104613861A的中国发明专利申请公开了一种柔性有源应变或压力传感器结构及制备方法,采用了此方法,但该专利申请采用先在柔性衬底上制作碳纳米管、然后再覆盖压电薄膜的方法,其结构和工艺都较复杂。
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,提供一种柔性有源压力/应变传感器结构及其制作方法,其结构和工艺都较简单,可减少制作工艺步骤及成本,并具有静态功耗低、输出端信号处理简捷的优点。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种柔性有源压力/应变传感器结构,包括作为柔性衬底的压电薄膜,以及设于压电薄膜上的碳纳米管薄膜晶体管,所述碳纳米管薄膜晶体管以阵列方式集成在压电薄膜上,所述碳纳米管薄膜晶体管的有源区由碳纳米管薄膜构成,所述碳纳米管薄膜耦合所述碳纳米管薄膜晶体管的源/漏电极,阵列中每个所述碳纳米管薄膜晶体管的源/漏电极分别引出,以形成传感器阵列结构,阵列中每个所述碳纳米管薄膜晶体管的栅电极都是与所述压电薄膜粘合在一起形成欧姆接触的浮栅,所述碳纳米管薄膜和源/漏电极通过栅介质与所述栅电极、压电薄膜相隔离,通过检测所述碳纳米管薄膜晶体管阵列输出特性大小,以检测出压电薄膜的应变与压力大小。
优选地,所述压电薄膜包括PVDF材料或偏二氟乙烯的铁电共聚物材料。
优选地,所述碳纳米管薄膜由单壁碳纳米管形成。
优选地,所述碳纳米管薄膜晶体管的有源区和源/漏电极覆盖有隔离层,所述源/漏电极通过所述隔离层引出。
优选地,所述隔离层为C型聚对二甲苯材料。
优选地,所述压电薄膜背面具有导电电极。
一种上述的柔性有源压力/应变传感器结构的制作方法,包括:在一硬质衬底上制备形成作为柔性衬底的压电薄膜,在柔性压电薄膜上加工形成碳纳米管薄膜晶体管阵列,然后,将柔性压电薄膜从硬质衬底上剥离,得到柔性有源的压力/应变感应膜。
优选地,形成柔性压电薄膜包括:将液态压电薄膜材料旋涂于一硬质材料衬底上,然后加热固化;或者以成膜的压电薄膜真空压合在硬质材料衬底上。
优选地,形成碳纳米管薄膜晶体管阵列包括:
S01:在柔性压电薄膜上光刻刻蚀出背栅图形后淀积背栅金属,然后剥离光刻胶,留下背栅金属;
S02:淀积栅介质;
S03:在半导体级纯度的单壁碳纳米管溶液中浸泡,以在栅介质上沉积一层单壁碳纳米管薄膜;
S04:光刻刻蚀出源/漏图形后淀积源/漏金属,然后剥离光刻胶,留下源/漏金属;
S05:光刻刻蚀形成碳纳米管薄膜有源区;
S06:淀积C型聚对二甲苯隔离层,形成保护层;
S07:光刻刻蚀出碳纳米管薄膜晶体管的源/漏电极接触孔后沉积接触孔金属,然后剥离光刻胶,留下接触孔金属;
S08:光刻刻蚀出上层互连金属后淀积上层互连金属,然后剥离光刻胶,留下上层互连金属走线;
S09:将加工完成的压力/应变传感器阵列薄膜从硬质材料衬底上剥离,并在压电薄膜背面涂布银浆作为导电电极。
一种上述的柔性有源压力/应变传感器结构的制作方法,直接以柔性压电薄膜作为衬底,采用卷对卷的印刷电子工艺,直接在柔性压电薄膜上制备碳纳米管薄膜晶体管阵列,包括以打印或印刷方式在柔性压电薄膜上依次形成栅电极、栅氧介质材料、源/漏金属和金属布线,以及隔离保护膜。
从上述技术方案可以看出,本发明通过以压电薄膜直接作为柔性衬底,在其上面集成碳纳米管薄膜晶体管阵列,通过压电薄膜的压电效应,施加于薄膜的应变与压力产生的电荷会改变碳纳米管薄膜晶体管器件的阈值电压特性,从而改变其输出特性,因此,通过检测碳纳米管薄膜晶体管器件阵列输出特性大小,可以检测出压电薄膜的应变与压力大小;相比于传统无源的压力与应变传感器,本发明的有源压力与应变传感器输出信号通过有源器件控制,静态功耗低;相比于采用在碳纳米管薄膜晶体管外接压力敏感电阻的方法,本发明压电薄膜的电荷变化可直接改变碳纳米管薄膜晶体管器件的阈值电压,使得输出端信号处理会更简单,而且不需要考虑电阻匹配问题;相比现有以其他柔性材料为衬底,在其上制作有源器件后再覆盖压力敏感薄膜的方法,结构和工艺都较简单,可减少工艺步骤及成本。
附图说明
图1a~图1b是现有的两种有源压力传感器件的电路原理图;
图2是本发明一较佳实施例的一种柔性有源压力/应变传感器结构的结构示意图;
图3是本发明一较佳实施例的一种柔性有源压力/应变传感器结构的等效电路示意图。
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,请参阅图2,图2是本发明一较佳实施例的一种柔性有源压力/应变传感器结构的结构示意图。如图2所示,本发明的一种柔性有源压力/应变传感器结构,包括位于下部的柔性压电薄膜100,以及设置在压电薄膜100上的碳纳米管薄膜晶体管(CNT TFT)200。碳纳米管薄膜晶体管200可以阵列方式集成在压电薄膜100上。
请继续参阅图2。碳纳米管薄膜晶体管200的主要结构包括栅电极201、有源区202以及源/漏电极204。有源区由碳纳米管薄膜202构成,碳纳米管薄膜202的两端分别耦合源/漏电极204。栅电极201与压电薄膜100耦合形成欧姆接触。碳纳米管薄膜202和源/漏电极204通过栅介质207与栅电极201、压电薄膜100相隔离。
作为一可选的实施方式,所述压电薄膜100可以采用PVDF(PolyvinylideneFluoride,聚偏氟乙烯)材料或偏二氟乙烯的铁电共聚物材料等制作形成。本发明不限于此。
请继续参阅图2。进一步地,所述碳纳米管薄膜晶体管的有源区和源/漏电极覆盖有隔离层206,形成对器件的保护层。所述源/漏电极204通过所述隔离层206引出。所述隔离层206可为C型聚对二甲苯(Parylene_C)材料。
作为一优选的实施方式,所述碳纳米管薄膜202可由单壁碳纳米管(SW_CNT)形成。作为可选的实施方式,栅电极金属可采用Ti/Au;源/漏电极可采用Ti/Pd,源/漏电极的引出金属203及其上层互连金属205可采用Al等;栅介质可采用Al2O3、SiOx等。
请继续参阅图2。优选地,所述压电薄膜100背面具有导电电极101,例如可以是通过涂布银浆形成的导电电极。
在上述本发明的柔性有源压力/应变传感器结构中,所述碳纳米管薄膜晶体管既可采用图2所示的背栅型栅电极结构,也可采用顶栅型栅电极结构。
请接着参阅图3,图3是本发明一较佳实施例的一种柔性有源压力/应变传感器结构的等效电路示意图。如图3所示,在本发明的柔性有源压力/应变传感器结构中,以P型的碳纳米管TFT器件阵列为例,图中示意性显示了集成于柔性压电薄膜(例如PVDF膜)100之上的1~7个TFT器件200。因此,阵列中每个TFT器件的栅极都是与PVDF膜100粘合在一起形成欧姆接触的浮栅,PDVF膜的另一端(图示背面)接地。TFT器件阵列中所有器件的漏端也都接地,而每个器件的源端接电源VDD,并测量其源端电流,每个器件Mi的对应电流是Ii(i从1到7)。碳纳米管TFT器件的源/漏极通过金属电极引出,需要将阵列中每个器件的源/漏电极分别引出,从而形成传感器阵列结构。这里假定碳纳米管TFT器件是P型,当然也可以是N型的,仅接法略有不同。
通过压电薄膜的压电效应,施加于薄膜的应变与压力产生的电荷,会改变碳纳米管TFT器件的阈值电压特性,从而改变其输出特性,通过检测TFT器件阵列输出特性大小,就可以检测出压电薄膜的应变与压力大小。本发明压电薄膜的电荷变化可直接改变TFT器件的阈值电压,这使得输出端信号的处理变得更加简单,而且不需要考虑电阻匹配问题。
下面通过具体的实施例,对本发明的一种柔性有源压力/应变传感器结构的制作方法作详细说明。
本发明的柔性有源压力/应变传感器结构的一种制作方法,可包括先在一硬质衬底上制备形成柔性压电薄膜;然后在柔性压电薄膜上加工形成碳纳米管薄膜晶体管阵列;最后再将柔性压电薄膜从硬质衬底上剥离,得到柔性有源的压力/应变感应膜,此感应膜即具有柔性有源压力/应变传感器结构。
作为可选的实施方式,硬质衬底可采用硅片、玻璃等,但不限于这两种衬底。
其中,在硬质衬底上制备形成柔性压电薄膜的具体工艺可包括:以PVDF压电薄膜为例,可将液态PVDF膜材料旋涂于硅片或玻璃等硬质材料衬底上,然后通过加热固化形成PVDF膜;另一种方法是以成膜的PVDF膜真空压合在硬质材料衬底上。
优选地,在柔性压电薄膜上加工形成碳纳米管薄膜晶体管阵列可以采用以传统的光刻工艺为基础的微电子加工工艺,具体工艺可包括:
S01:在上述已形成的柔性压电薄膜上,通过光刻刻蚀出背栅图形,然后淀积背栅金属,如Ti/Au,其厚度可分别为5nm/30nm,接着剥离光刻胶,留下背栅金属。
S02:采用ALD淀积例如30nm的高介电常数氧化物Al2O3,然后采用电子束蒸发淀积15nm的SiOx,形成栅介质。
S03:采用浸泡的方法,将前面制备好的硅片或玻璃晶圆片浸泡在半导体级高纯度的单壁碳纳米管溶液中(半导体性能的SW_CNT含量为99%)10分钟,在晶圆片上将沉积一层SW_CNT(单壁碳纳米管)薄膜。
S04:在光刻胶上通过光刻刻蚀出源/漏图形,然后淀积源/漏金属,如Ti/Pd,其厚度分别可为5nm/70nm,接着剥离光刻胶,留下源/漏金属。
S05:光刻后,用氧气等离子体刻蚀掉多余的碳纳米管,形成碳纳米管薄膜有源区。
S06:采用CVD方法淀积C型聚对二甲苯(Parylene_C)隔离层,形成CNT薄膜器件的隔离保护层,厚度可约为500nm。
S07:光刻刻蚀出碳纳米管薄膜晶体管的源/漏电极接触孔,然后用氧气等离子体刻蚀Parylene_C,并沉积接触孔金属,例如是500nm的金属Al,接着剥离光刻胶,留下接触孔金属。
S08:光刻刻蚀出上层互连金属,然后淀积上层互连金属,例如是金属Al,厚度视应用情况可选择500nm或者更厚,接着剥离光刻胶,留下上层互连金属走线。
S09:将加工完成的压力/应变传感器阵列薄膜从硬质材料衬底上剥离,并在压电薄膜背面制作导电电极,例如可通过涂布银浆作为压电薄膜的导电电极。
如果不借用硬质材料衬底而是直接采用柔性压电薄膜作为衬底,来制作本发明的柔性有源压力/应变传感器结构,则可以采用卷对卷的印刷电子工艺,通过打印或印刷方式直接在柔性压电薄膜上制备碳纳米管薄膜晶体管器件阵列。其关键工艺包括以打印或印刷方式在柔性压电薄膜上依次形成栅电极、栅氧介质材料、源/漏金属和金属布线,以及隔离保护膜。
在上述本发明的柔性有源压力/应变传感器结构的制作方法中,也可以通过在柔性衬底上依次形成碳纳米管薄膜、源/漏电极、栅介质和顶栅,来实现本发明的柔性有源压力/应变传感器结构。
综上所述,本发明通过以压电薄膜直接作为柔性衬底,在其上面集成碳纳米管薄膜晶体管阵列,通过压电薄膜的压电效应,施加于薄膜的应变与压力产生的电荷会改变碳纳米管薄膜晶体管器件的阈值电压特性,从而改变其输出特性,因此,通过检测碳纳米管薄膜晶体管器件阵列输出特性大小,可以检测出压电薄膜的应变与压力大小;相比于传统无源的压力与应变传感器,本发明的有源压力与应变传感器输出信号通过有源器件控制,静态功耗低;相比于采用在碳纳米管薄膜晶体管外接压力敏感电阻的方法,本发明压电薄膜的电荷变化可直接改变碳纳米管薄膜晶体管器件的阈值电压,使得输出端信号处理会更简单,而且不需要考虑电阻匹配问题;相比现有以其他柔性材料为衬底,在其上制作有源器件后再覆盖压力敏感薄膜的方法,结构和工艺都较简单,可减少工艺步骤及成本。
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)

1.一种柔性有源压力/应变传感器结构,其特征在于,包括作为柔性衬底的压电薄膜,以及设于压电薄膜上的碳纳米管薄膜晶体管,所述碳纳米管薄膜晶体管以阵列方式集成在压电薄膜上,所述碳纳米管薄膜晶体管的有源区由碳纳米管薄膜构成,所述碳纳米管薄膜耦合所述碳纳米管薄膜晶体管的源/漏电极,阵列中每个所述碳纳米管薄膜晶体管的源/漏电极分别引出,以形成传感器阵列结构,阵列中每个所述碳纳米管薄膜晶体管的栅电极都是与所述压电薄膜粘合在一起形成欧姆接触的浮栅,所述碳纳米管薄膜和源/漏电极通过栅介质与所述栅电极、压电薄膜相隔离,通过检测所述碳纳米管薄膜晶体管阵列输出特性大小,以检测出压电薄膜的应变与压力大小。
2.根据权利要求1所述的传感器结构,其特征在于,所述压电薄膜包括PVDF材料或偏二氟乙烯的铁电共聚物材料。
3.根据权利要求1所述的传感器结构,其特征在于,所述碳纳米管薄膜由单壁碳纳米管形成。
4.根据权利要求1所述的传感器结构,其特征在于,所述碳纳米管薄膜晶体管的有源区和源/漏电极覆盖有隔离层,所述源/漏电极通过所述隔离层引出。
5.根据权利要求4所述的传感器结构,其特征在于,所述隔离层为C型聚对二甲苯材料。
6.根据权利要求1所述的传感器结构,其特征在于,所述压电薄膜背面具有导电电极。
7.一种如权利要求1所述的柔性有源压力/应变传感器结构的制作方法,其特征在于,包括:在一硬质衬底上制备形成作为柔性衬底的压电薄膜,在柔性压电薄膜上加工形成碳纳米管薄膜晶体管阵列,然后,将柔性压电薄膜从硬质衬底上剥离,得到柔性有源的压力/应变感应膜。
8.根据权利要求7所述的制作方法,其特征在于,形成柔性压电薄膜包括:将液态压电薄膜材料旋涂于一硬质材料衬底上,然后加热固化;或者以成膜的压电薄膜真空压合在硬质材料衬底上。
9.根据权利要求7所述的制作方法,其特征在于,形成碳纳米管薄膜晶体管阵列包括:
S01:在柔性压电薄膜上光刻刻蚀出背栅图形后淀积背栅金属,然后剥离光刻胶,留下背栅金属;
S02:淀积栅介质;
S03:在半导体级纯度的单壁碳纳米管溶液中浸泡,以在栅介质上沉积一层单壁碳纳米管薄膜;
S04:光刻刻蚀出源/漏图形后淀积源/漏金属,然后剥离光刻胶,留下源/漏金属;
S05:光刻刻蚀形成碳纳米管薄膜有源区;
S06:淀积C型聚对二甲苯隔离层,形成保护层;
S07:光刻刻蚀出碳纳米管薄膜晶体管的源/漏电极接触孔后沉积接触孔金属,然后剥离光刻胶,留下接触孔金属;
S08:光刻刻蚀出上层互连金属后淀积上层互连金属,然后剥离光刻胶,留下上层互连金属走线;
S09:将加工完成的压力/应变传感器阵列薄膜从硬质材料衬底上剥离,并在压电薄膜背面涂布银浆作为导电电极。
10.一种如权利要求1所述的柔性有源压力/应变传感器结构的制作方法,其特征在于,直接以柔性压电薄膜作为衬底,采用卷对卷的印刷电子工艺,直接在柔性压电薄膜上制备碳纳米管薄膜晶体管阵列,包括以打印或印刷方式在柔性压电薄膜上依次形成栅电极、栅氧介质材料、源/漏金属和金属布线,以及隔离保护膜。
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