CN107063498B - 一种温度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度传感器，包括双栅薄膜晶体管和温度传感电容，并且形成因温度变化引起电流改变的传感器件。所述温度传感电容与双栅薄膜晶体管的顶栅电极集成，并且形成因温度变化引起电流变化的传感器件。所述传感器件包括自上而下依次分布的上极板、电容介质层、充当顶栅电极的下极板、晶体管的顶栅绝缘层、半导体层、晶体管的底栅绝缘层、基板；所述的顶栅绝缘层内设有源极和漏极；所述底栅绝缘层内设有底栅电极。采用本发明所述的温度传感器，具有高灵敏度和电路简单的特点。
Description
技术领域
本发明属于温度传感器技术领域，具体涉及一种具体集成了内部信号放大功能并将温度变化转化为电流变化的有源温度传感器。
背景技术
随着机器人技术发展，为了使机器人能智能的应对周围环境中的变化，就需要一个能提供与之进行交互的感知环境或者接触物体温度的肌肤，因此由温度传感器分布组成的电子皮肤成为了机器人不可或缺的重要组成部分。为了能够满足这一应用的需求，电容式温度传感器的高灵敏度、高空间分辨率、易于实现大面积、柔性、弹性等优点适合作为电子肌肤的传感单元。
传统的温度传感器主要分为电阻式和电容式两种，电阻式温度传感器虽然测量电路简单，成本比较低，但是灵敏度低、易脆、没有弹性、有较大的非线性、输出信号较弱等缺点。传统的电容式温度传感器对于温度变化表现为电容值的变化。两者都是无源器件，没有内部信号放大的功能。另外,由于一些电容式温度传感器对温度的响应信号的读取不是很方便，需要在电路系统中进行测量读取，并且测量电路往往伴随着高的噪声，所以很难准确测量出来。在实际使用中往往需要配合一定的复杂外围电路才能应用。例如文氏电桥电路，把随温度变化电容信号转化为频率变化，外围电路非常复杂。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一目的在于：发明一种集成的温度传感器，将温度传感单元和信号处理单元集成在一起，具有高灵敏度和电路简单的特点。
为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现的：
本发明所述的温度传感器，包括双栅薄膜晶体管和温度传感电容，并且形成因温度变化引起电流改变的传感器件。
进一步地，所述温度传感电容与双栅薄膜晶体管的顶栅电极集成,并且形成因温度变化引起电流变化的传感器件。
进一步地，所述传感器件包括自上而下依次分布的上极板、电容介质层、充当顶栅电极的下极板、晶体管的顶栅绝缘层、半导体层、晶体管的底栅绝缘层、基板；所述的顶栅绝缘层内设有源极和漏极；所述底栅绝缘层内设有底栅电极。
进一步地，所述电容介质层的介电常数随温度的变化而变化。
进一步地，所述电容介质的材质为聚偏氟乙烯PVDF。
进一步地，所述上极板和下极板均为金属板。
进一步地，所述顶栅绝缘层和底栅绝缘层均为绝缘介质层。
进一步地，所述源极、漏极和栅极的材质均为金属；
进一步地，所述基板为柔性聚酰亚胺PI材质或者玻璃。
为了解决上述问题，本发明的第二目的在于：提供一种温度传感器的制备工艺，具有制作简单的特点。
为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现的：
本发明所述的温度传感器的制备方法，包括如下步骤：
在所述基板的表面喷溅一层金属并图形化，形成底栅电极；
利用薄膜沉积工艺，依次沉积底栅绝缘层和半导体层；
利用湿法或干法刻蚀工艺，形成源极和漏极；
利用薄膜沉积工艺制备顶栅绝缘层；
在所述顶栅绝缘层的表面喷溅一层金属，形成下极板；
秤取聚偏氟乙烯PVDF，控制比例与二甲基甲酰胺DMF溶剂混合，使之充分溶解；
利用点涂、旋涂或者浸涂工艺，将溶液涂在所述顶栅上，干燥成膜，形成聚偏氟乙烯PVDF层；
使用真空蒸镀技术，在所述聚偏氟乙烯PVDF层上蒸镀一层金属电极并图形化，形成上极板。
进一步地，所述聚偏氟乙烯PVDF与二甲基甲酰胺DMF溶剂混合的比例不超过10％；所述干燥成膜的温度为50-70℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述的温度传感器，通过将双栅薄膜晶体管和温度传感电容的集成，实现将电容变化转化为电流的变化，便于信号的处理。具体地，当温度变化时，温度传感电容的电介质系数发生改变，电容随着变化，引起双栅薄膜晶体管的电流变化。该技术便于大面积范围内对温度信号进行收集，具有高灵敏度、高空间分辨率、电路简单的特点。
与此同时，本发明所述的温度传感器，在实际使用过程中，设计的外围测量电路十分简单，大大简化了电路系统。另外，其制备方法简单，可以制备出的具有一定分辨率和图形的温度传感器阵列，从而可以实现对温度的空间分布进行测量。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1是本发明所述的温度传感器的结构示意简图；
图2是本发明所述的温度传感器与外围电路组成的等效电路图；
图3、图4和图5是本发明所述的温度传感器在温度变化时，电容随之变化的统计示意图；
图6、图7和图8是本发明所述的温度传感器在温度变化时，电流随之变化的统计示意图。
图中：
1：传感器件
11：上极板 12：电容介质层 13：下极板
14：顶栅绝缘层
141：源极 142：漏极
15：半导体层
16：底栅绝缘层
161：栅极
17：基板
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所述的温度传感器，包括双栅薄膜晶体管和温度传感电容，二者集成为一体，外界温度的变化，导致电容的变化，继而使得薄膜晶体管的电流发生变化，并且该电流变化便于采集和转化，另外，通过对器件工作偏压的调节，使其在亚阈值区工作，因电容变化引起的顶栅电压的微小变化可以导致电流指数数量级的变化，这样有效地提升了灵敏度。具体地，所述温度传感电容与双栅薄膜晶体管的顶栅电极集成,并且形成因温度变化导致电流变化的传感器件。
对于薄膜晶体管(thin film transistor,TFT)技术，其以低成本和大面积的应用为目标，如目前在液晶平板显示中广泛应用的非晶硅(a-Si)TFT技术，具有非常成熟的TFT制作工艺，加上非常简便成熟的旋涂集成工艺，从而取代电容式传感器后置读取电路的复杂性，TFT的微小化，也可以实现柔性温度传感阵列，得到温度的空间分布和高分辨率的温度分布图像信息。
使用电容式集成的温度传感器，灵敏度高于普通的电阻式和压电式传感器，并且采用处理后的超高温度灵敏的PVDF材料作为电容的介质层，可以提高灵敏度。
具体地，本发明所述的温度传感器为传感器件1，如图1所示，该传感器件1包括自上而下依次分布的上极板11、电容介质层12、下极板13、顶栅绝缘层14、半导体层15、底栅绝缘层16和基板17。其中，所述上极板11和下极板13采用的都是金属材质，本实施例中采用的是Au的材质，具有更好的特性；所述顶栅绝缘层14和底栅绝缘层16采用的是绝缘介质层，本实施例采用的是氮化硅SiNx材质；所述半导体层15采用的是氢化非晶硅a-Si:H材质；所述基板17采用的是聚酰亚胺PI材质。其中，所述下极板13则充当了双栅薄膜晶体管的顶栅，具体与温度传感器电容完成集成。
所述电容介质层12的材质为聚偏氟乙烯PVDF。当外部温度发生变化时，首先作用于上极板11，然后传递给所述电容介质层12，所述电容介质层12内的聚偏氟乙烯PVDF因外部温度的变化，则会发生电容的变化，从而使得双栅薄膜晶体管的电流发生改变，进而通过外围电路的放大处理，即可获取对应精准的变化值，即具有高灵敏度。同样，对于具有同等功效的其他材质，也是属于本发明保护的范围，只是优选以上材质。
同时，如图2所示，其等效后的电路与外围电路的电路示意图可以看出，其电路系统是十分简单，成本也十分低。
为了更好的说明本发明所述的温度传感器以上所提及的效果，结合如图2所示的电路具体做如下实验：
一、测试前的准备操作如下：
1、试用干燥箱控制温度，通过热电偶读出电容介质层附近的温度；
2、用电容表测量温度传感电容随温度变化情况，作为参考；
3、使用如图2所示的电路，把温度变化使温度传感电容的变化，用双栅薄膜晶体管TFT来转换为电流变化。
二、测试过程如下：
1、Cx为温度传感电容，双栅薄膜晶体管工作在靠近线性区的亚阈值区，Ids电流适中；
2、通过多次试验，发现在初始值Ids电流为40-50nA时候，变化比例最大，可达到50％左右；
3、经过试验发现，顶栅加负偏压Ids电流的变化比例明显优于加正偏压。
三、测试结果分析：
1、电容随温度变化(参考图3、图4和图5)
(1)经过多次试验证明：升温时数据比较稳定，因为实验室的干燥箱升温相对比较容易控制；
(2)小电容测试数据比较符合厂家给出的参考曲线，说明小电容对于测试来说更加稳定，另外还有一个室温40nF的大电容，但是在低频高温下容易有漏电流产生；
(3)把TFT工作在线性区对0.9nF的电容测试，发现Ids变化不明显，25°到70°仅有3-4nA左右的变化，所以测试的时候可以选用9nF进行实验；
(4)对双栅薄膜晶体管TFT进行动态电流进行驱动，即选用底栅加脉冲型电压，因为如果对器件采用定值电压，器件性能很容易随时间产生时间漂移。
2、电流随温度变化(如图6、图7和图8所示)
(1)实验采用室温9nF电容进行测试；
(2)按电路连接加负偏压1-3V适当即可；
(3)底栅加16/19V的脉冲变化电压，使其在19V时工作在靠近线性区的亚阈值区；
(4)电流Ids随着温度增加而降低，对图片反转，可以看出趋势基本符合电容的变化趋势。(加正偏压时,Ids随温度增加而增加)。
通过图3-图5所示，可以看出，电容是随着温度的变化而变化，并且幅度较大。再结合图6-图8所示，可以看出，电流随着温度的变化十分明显，达到近50％，初步实现了高灵敏的温度测量。
以上是对本发明所述的温度传感器的结构及其性能做出的详细说，下面对其制备方法做具体描述，步骤如下：
S1：在所述基板的表面喷溅一层金属并图形化，形成底栅电极；
S2：利用薄膜沉积工艺，依次沉积底栅绝缘层和半导体层；
S3：利用湿法或干法刻蚀工艺，形成源极和漏极；
S4：利用薄膜沉积工艺制备顶栅绝缘层；
S5：在所述顶栅绝缘层的表面喷溅一层金属，形成下极板；
S6：秤取聚偏氟乙烯PVDF，控制比例与二甲基甲酰胺DMF溶剂混合，使之充分溶解；其中，聚偏氟乙烯PVDF与二甲基酰胺DMF的混合混合比例不超过10％，优选为8％。同理，PVDF-TrFE的比例同上。
S7：利用点涂、旋涂或者浸涂工艺，将溶液涂在所述顶栅上，干燥成膜，形成聚偏氟乙烯PVDF层；其中干燥成膜的温度为50-70℃；
S8：使用真空蒸镀技术，在所述聚偏氟乙烯PVDF层上蒸镀一层金属电极并图形化，形成上极板。
以上制备方法具有非常成熟的TFT制备工艺，并且结合简便、成熟的旋涂集成工艺，取代了电容式传感器后置读取电路的复杂性，并且制备出的温度传感器体积微小化，还可以实现柔性温度传感阵列，具有高灵敏度和高分辨率的特点。
本发明所述的温度传感器的其它结构参见现有技术，在此不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种温度传感器，其特征在于，包括双栅薄膜晶体管和温度传感电容，并且形成因温度变化引起电流改变的传感器件；
所述温度传感电容与双栅薄膜晶体管的顶栅电极集成,并且形成因温度变化引起电流变化的传感器件；
所述传感器件包括自上而下依次分布的上极板、电容介质层、充当顶栅电极的下极板、晶体管的顶栅绝缘层、半导体层、晶体管的底栅绝缘层、基板；
所述的顶栅绝缘层内设有源极和漏极；
所述底栅绝缘层内设有底栅电极。
2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：
所述电容介质层的介电常数随温度的变化而变化。
3.根据权利要求1或2所述的温度传感器，其特征在于：
所述电容介质的材质为聚偏氟乙烯PVDF。
4.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：
所述上极板和下极板均为金属板。
5.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：
所述顶栅绝缘层和底栅绝缘层均为绝缘介质层。
6.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于：
所述源极、漏极和栅极的材质均为金属。
7.一种温度传感器的制备方法，用于实现权利要求1-6任一项所述的温度传感器，其特征在于，包括如下步骤：
在基板的表面喷溅一层金属并图形化，形成底栅电极；
利用薄膜沉积工艺，依次沉积底栅绝缘层和半导体层；
利用湿法或干法刻蚀工艺，形成源极和漏极；
利用薄膜沉积工艺制备顶栅绝缘层；
在所述顶栅绝缘层的表面喷溅一层金属，形成下极板；
秤取聚偏氟乙烯PVDF，控制比例与二甲基甲酰胺DMF溶剂混合，使之充分溶解；
利用点涂、旋涂或者浸涂工艺，将溶液涂在所述顶栅上，干燥成膜，形成聚偏氟乙烯PVDF层；
使用真空蒸镀技术，在所述聚偏氟乙烯PVDF层上蒸镀一层金属电极并图形化，形成上极板。
8.根据权利要求7所述的温度传感器的制备方法，其特征在于：
所述聚偏氟乙烯PVDF与二甲基甲酰胺DMF溶剂混合的比例不超过10％；
所述干燥成膜的温度为50-70℃。
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