CN107389256B - 用于检测压力的电子装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测压力的电子装置，包括：用于传导电流的电流通道，其中该电流通道被设置在压力敏感结构附近或与所述压力敏感结构邻接。当所述压力敏感结构受到外部压力变化时，该压力敏感结构用于操纵所述电流通道的第一电特性，将外部压力信号实时的转化为电信号。
Description
技术领域
本发明涉及用于检测压力的电子装置和用于制造该电子装置的方法，更具体地涉及使用简单且低成本制造技术。
技术背景
压力传感器可以用于测量压力，例如空气中的气压或水箱中的流体压力。在电子压力传感器中，压力传感器可以把施加的压力生成电信号。
压力传感器还可以用作测量大气压力的气压计组件。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了用于检测压力的电子装置，包括：用于传导电流的电流通道，其中该电流通道被设置在压力敏感结构附近或与所述压力敏感结构邻接；以及当所述压力敏感结构受到外部压力变化时，该压力敏感结构用于改变所述电流通道的第一电特性。
在第一方面的实施方式中，所述电流通道的所述第一电特性响应于所述压力敏感结构的第二电特性的变化而变化。
在第一方面的实施方式中，所述第一电特性是电阻。
在第一方面的实施方式中，所述电流通道存在第一材料层中，所述电流在第一材料层中传导。
在第一方面的实施方式中，所述第一材料层为半导体材料。
在第一方面的实施方式中，所述第一材料层为有机半导体材料或基于氧化物的半导体材料。
在第一方面的实施方式中，该电子装置还包括设置在所述第一材料层上的电极，所述电极被配置为实现所述电流通道与电源之间的电连接。
在第一方面的实施方式中，所述电极还用作为晶体管的源极和漏极。
在第一方面的实施方式中，所述第二电特性是电容。
在第一方面的实施方式中，所述压力敏感结构包括具有所述电容的第二材料层。
在第一方面的实施方式中，所述第二材料层包括电介质材料。
在第一方面的实施方式中，所述第二材料层包括聚合物填充材料和空气中的至少一者。
在第一方面的实施方式中，所述电容值基于所述第二材料层厚度的变化而变化。
在第一方面的实施方式中，所述压力敏感结构还包括第三材料层，用于实现所述压力敏感结构受到的外部压力变化时改变所述第二材料层的厚度。
在第一方面的实施方式中，所述第三材料层是柔性的，且所述第三材料层在所述压力敏感结构受到外部压力变化时变形以改变第二材料层的厚度。
在第一方面的实施方式中，所述压力敏感结构还包括间隔结构，用于限定所述第二材料层的尺寸，且其中所述第二材料层被所述间隔结构和所述第三材料层封装。
在第一方面的实施方式中，所述间隔结构包括胶带和光阻材料中的至少一者。
在第一方面的实施方式中，所述第三材料层包括导电材料。
在第一方面的实施方式中，所述第三材料层包括铝膜和具有导电材料覆层的聚合物膜中的至少一者。
在第一方面的实施方式中，所述压力敏感结构还用作为晶体管结构的栅极。
在第一方面的实施方式中，该电子装置还包括沉积在衬底的第一侧的绝缘层，其中限定所述电流通道的第一材料层被设置在该绝缘层上且所述压力敏感结构被设置在与该衬底的第一侧相反的第二侧上。
在第一方面的实施方式中，所述绝缘层包括聚合物材料和金属氧化物材料的至少一者。
在第一方面的实施方式中，该电子装置被配置为将外部压力信号实时的转化为电信号。
根据本发明的第二方面，提供了制造根据第一方面的实施方式中所述的用于检测压力的电子装置的方法，步骤包括：在衬底的第一侧上制备用于限定所述电流通道的第一材料层；以及在与所述衬底的第一侧相反的第二侧上制备所述压力敏感结构。
在第二方面的实施方式中，在所述衬底的第一侧上制备所述第一材料层的步骤包括：在所述衬底的第一侧上沉积绝缘层；以及在所述绝缘层上沉积所述第一材料层。
在第二方面的实施方式中，该方法还包括在所述第一材料层上沉积电极的步骤。
在第二方面的实施方式中，其中在所述衬底的第二侧上提供所述压力敏感结构的步骤包括：在所述衬底的第二侧上制备间隔结构；以及在所述间隔结构上粘接第三材料层以封装所述第三材料层与所述衬底之间的第二材料层。
根据本发明的第三方面，提供了压力传感器，包括：一个或多个根据第一方面的实施方式中所述的用于检测压力的电子装置；以及与所述电子装置相连接的电源；其中所述外部压力的变化的检测由所述电流通道的电阻的测量结果来表示。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的电子装置的透视图；
图2是图1的电子装置制造的工艺流程图；
图3A是受到第一外部压力的图1的电子装置的操作图示；
图3B是受到第二外部压力的图1的电子装置的操作图示；以及
图4是受到不同外部压力时电子装置检测到的I-V特性图。
具体实施方式
发明人通过研究和实验，指出具有压力和温度检测功能的传感器是下一代智能产品的重要组成部分。柔性、低成本以及低电压的电子传感装置对许多人工智能应用是至关重要的。例如，基于柔性和低成本的有机薄膜晶体管的压力传感器可以用作在集成智能系统应用中。
某些压力传感器已经不能满足在日常应用中对其廉价及可降解的要求。因此，有必要研发低成本的压力传感器。例如，基于薄膜晶体管的压力传感器，因其具有高灵敏度，制造工艺简单，生产成本低、可大面积打印等优势，在传感器的研究方面极具潜力。
图1是用于检测压力的电子装置100的结构图。在此实施例中，该电子装置100包括：用于传导电流的电流通道102，其中该电流通道102被设置在压力敏感结构附近或与所述压力敏感结构邻接；以及当压力敏感结构104受到外部压力变化时，该压力敏感结构104用于改变电流通道102的第一电特性。
在该实施例中，电子装置100包括晶体管结构106和压力敏感结构104，且晶体管结构106的电特性可以受到电子装置100暴露在的环境的压力的影响，因此，该电子装置100可以用作压力传感器。该晶体管结构106中的第一材料层108优选地由半导体材料制备。该半导体层108可以作为晶体管结构106的有源层，其在晶体管结构106中决定了电流通道102。
另外，第一材料层108包括至少但不限于有机半导体材料(例如，并五苯和聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT))、基于氧化物的半导体材料(例如ZnO和IGZO)，其他常见半导体材料(例如硅、石墨烯、锗和复合半导体等)也可以被使用在晶体管结构106中。
晶体管的电流通道的电特性还可以由栅极和/或源/漏极来控制。例如，晶
体管结构106中的电流通道102的第一特性-电阻是可以通过不同的电学操作来控制(例如施加不同的偏置电压)。
电流可以通过半导体层108中的至少一部分被传导。这部分传导电流的半导体材料决定了电子装置100的电流通道102。此外，电子装置100还包括用于促进电流通道102与电源(或用于施加合适偏置电压给晶体管结构106的电源)之间的电连接的至少两个电极110。例如，电极110可以是粘接在半导体层108上的金属垫或条，此电流可以通过电极110之间的电流通道102传导。电极110还可以用于决定晶体管结构106的源极和漏极。优选地，电极100包括铝、金、铜、银或导电金属氧化物的电导材料。
为了调控晶体管结构106的电流通道102的电阻，限定晶体管结构106的栅极的压力敏感结构104被粘接在半导体层108、附近，其中电流通道102被限定在该半导体层108中。在该结构中，通道102的电阻因压力敏感结构104的电容(电子装置100的第二电特性)的变化而变化。
参考图1，压力敏感结构104包括具有电容的第二材料层112。第二材料层112包括电介质层112，例如但不局限于聚合物(例如PVDF)液体或空气。
拥有特定厚度的第二材料层112可以是柔性的，其电容因第二材料层112的厚度变化而变化。例如，压力敏感结构104的电容可以在第二材料层112的厚度减少时而增大。
压力敏感结构104还包括与第二材料层112相邻的第三材料层114。第三材料层114可以是柔性的电导材料，例如铝膜或有导电材料(如ITO)覆层的聚合物膜(如ITO/PET)。该柔性膜114可以受到第二材料层112与环境之间的压力差而变形，从而在压力敏感结构104受到外部压力变化时改变第二材料层112的厚度。
压力敏感结构104还包括间隔结构116，用于限定第二材料层112的尺寸，包括例如电介质层112的厚度和形状(布局)的尺寸。间隔结构116还可以与柔性膜114和晶体管结构106的另一面一起用来封装电介质层112，因此电介质层112的厚度可因外部压力变化而变化。
根据电子100的不同制造工艺，间隔结构116可以使用胶带和光阻材料中的至少一者。此外，电子装置100还包括绝缘层118和衬底120，其中绝缘层118被沉积在衬底120的第一侧上，半导体层108(第一材料层108)制备在绝缘层118上且压力敏感结构104被粘接在衬底120的第二侧上(第一侧的相反侧)。
绝缘层118可使用聚合物材料(例如PS、PMMA或PVDF)和金属氧化物材料(例如HfO2、Al2O3)中的至少一种。衬底120可以是常见衬底材料，例如PET、PI、Si、玻璃或金属箔。
参考图2，示出了制造用于检测压力的电子装置100方法的流程图，该方法包括以下步骤：在衬底120的第一侧上制备用于限定电流通道102的第一材料层108；以及在与衬底120的第一侧相反的第二侧上粘接压力敏感结构104。
在该示例中，电子装置100的整个制造过程200从步骤202开始，首先清洗和干燥衬底120，干燥过程可以在烘箱中110℃条件下进行，或使用任意其他合适的干燥方式进行。
在步骤204中，绝缘层118制备在衬底120的第一侧上。电介质层112可以使用用于聚合物和一些金属氧化物电介质的溶液来制备。一些其他类型的可用电介质材料(例如Al2O3和HfO2)也可通过原子层沉积(ALD)喷溅或化学蒸汽沉积(CVD)方法来制备。
在步骤206中，第一材料层或半导体层108可以沉积在绝缘层118上。在一些示例实施方式中，聚合半导体可以通过溶液法来制备，小分子半导体层可以通过热蒸发来制备，金属氧化物半导体可以通过溶液法或溅射法在绝缘层118上制备。
在步骤208中，电极可以通过使用热蒸发或任意其他沉积方法在半导体层108上制备，用作源极和漏极。
电子装置100可以通过例如热处理或界面修饰的方法来增强其性能。，热处理可以用于修复装置100中用到的材料的缺陷，以增强压力感测检测的性能。对半导体层108与电介质层112之间的界面进行表面修饰，可以在晶体管结构106中获得更好的电流通道102。
在步骤210中，压力敏感结构104在衬底120的第二侧上制备。首先，间隔结构116被粘接在衬底120的背面上。它通过在衬底120的背面上用粘胶带的方式来实现用于限定间隔结构116。也可以在衬底120的背面通过旋涂、光刻后的图案化光阻材料来制备以上间隔结构。其次，把第三材料层114粘接到间隔结构116(使用胶带)用来将第二材料层112(空气或填充物)封装在间隔结构116、第三材料层114与衬底120之间。
电子装置100中的不同材料层可以具有以下厚度范围。例如，衬底120的厚度范围是10-500μm，绝缘层118的厚度范围是10-300nm，半导体层108的厚度范围是10-100nm，电极110的厚度范围是10-100nm，间隔结构116的厚度范围是100nm-100μm，以及柔性膜114或栅极的厚度范围是10-300μm。不同层的厚度可以基于多种考虑来选择，包括但不限于制造工艺、形成的材料层的质量以及电子装置100的敏感度和操作性能。
图3A和3B中示出了电子装置100的操作。优选地，电子装置100将外部压力信号实时的转化为电信号。例如，感应栅极或柔性膜114在电子装置100中封装后的间隙112的内外压力相同时不会发生形变(如图3A中所示)。当压力敏感结构104受到的外部压力增大时，压力差使得柔性膜114变形并收缩空气间隙112的厚度以达到内部和外部压力的平衡。在这样的结构中，由于空气间隙112的厚度降低感应栅极具有比当柔性膜114未形变时更高的电容，且反过来影响晶体管结构106相邻或附近的电流通道102。
在工作期间，电子装置100可以测量所处环境下的压力，例如大气中的空气压力。在压力作用下，通过在栅/漏/源极上施加偏置电压，可以测量通道102传导的电流的电流值。
此外，电流-电压的特性变化还可以用于测量所处环境下的温度变化。例如，在半导体层108和绝缘层118的界面存在一些缺陷，这些缺陷可以通过测量晶体管结构106的阈值(导通)电压(VTH)与温度的变化来表征，从而测得环境的温度
存在缺陷中电荷的密度与温度紧密相关，因此，当温度降低时，越来越多的电荷被捕获，这会导致晶体管结构106的VTH变大。相反的，当温度增加时，更多的捕获的电荷可以逃离缺陷位置，因此VTH变小。
参考图4，给出了在相同栅-源偏置电压(如-2.0V)和相同漏-源偏置电压(如-2V)下，通道102传导的电流IDS随着压力敏感结构104受到的外部压力的增大而增大。因此，电子装置100可以用作压力传感器，其可以包括根据之前描述的实施方式的用于检测压力的电子装置100和与电流通道102电连接的电源，以及电流通道102的电阻的测量结构(或晶体管结构106的I-V特性)可以表示外部压力变化的检测。此外，压力传感器可以被校准以表示测试环境的外部压力的不同值。
压力传感器可以制作成阵列，用于检测压力的多个电子装置100以检测多个位置或测试点的压力。
本专利提出的方法如印刷、溶液法具有简单且成本低的优点，。使用这些方法制造的压力传感器可以在低电压(0至±5V)和低功耗条件下工作，且检测线在在1kPa至20kPa(低至几Pa)之间。
此电子装置可通过测量电流-电压特性曲线来检测温度变化。此电子装置可以作为独立温度传感器，或具有温度感应的压力传感器。
在电子装置的制造中使用溶液法，因此，可以应用印刷技术实现此电子装置的大批量生产。
本领域技术人员可以在不偏离本发明的实质和范围的情况下对本发明进行修改。因此，这些实施方式被认为是示意性而非限制性的。
对本文中包含的现有技术的任何引用不认为承认信息是公知常识，除非另有指明。
Claims (3)
1.一种制造用于检测压力的电子装置的方法，所述电子装置包括用于传导电流的电流通道，其中该电流通道被设置在压力敏感结构附近或与所述压力敏感结构邻接；以及当所述压力敏感结构受到外部压力变化时，该压力敏感结构用于改变所述电流通道的第一电特性，其特征在于，所述制造用于检测压力的电子装置的方法包括步骤：
在衬底的第一侧上制备用于限定所述电流通道的第一材料层；以及
在与所述衬底的所述第一侧相反的第二侧上制备压力敏感结构，包括：
在所述衬底的所述第二侧上制备间隔结构；
在所述间隔结构上粘接第三材料层以封装所述第三材料层与所述衬底之间的第二材料层。
2.根据权利要求1所述的制造电子装置的方法，其中在所述衬底的所述第一侧上制备所述第一材料层的步骤包括：
在所述衬底的所述第一侧上沉积绝缘层；以及
在所述绝缘层上沉积所述第一材料层。
3.根据权利要求1所述的制造电子装置的方法，该方法还包括在所述第一材料层上沉积电极的步骤。
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