CN108735889B - 压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压力传感器及其制备方法，所述压力传感器包括栅极；形成于所述栅极上的绝缘层；形成于所述绝缘层上的半导体层；以及形成于所述半导体层上的电极层，所述电极层包括第二绝缘层及形成于所述半导体层与所述第二绝缘层之间的源极、漏极，所述源极和所述漏极分别位于所述第二绝缘层的两侧；所述源极包括具有导电性能的第一微结构层，所述漏极包括具有导电性能的第二微结构层。本发明提供的压力传感器及其制备方法，第二绝缘层在受到低压力和超低压力时，也能够通过所述第一微结构层和所述第二微结构层之间的电流变化获得压力的大小。因此，本发明提供的压力传感器能够提升整个压力传感器的灵敏度。

Description

压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器及其制备方法。

背景技术

压力传感器是将压力信号转变为电学信号的设备，其广泛应用于工业实践中，例如机器人，生产自控、航空航天、水电交通等，它与通讯技术以及计算机技术构成了信息产业的三大支柱。随着科技的发展以及人类生活的需要，压力传感器已经逐渐走向了微型化、集成化以及智能化。

小型的压力传感器的环境适应性强，可以抵抗很多不利的环境因素，且生物相容性强，可以应用于医学生物领域。在微型电子器件的集成化发展进程中，压力传感器也得以与其他传感器集成为多功能的传感体系，能够应对复杂的检测环境。智能化是二十一世纪的发展主题之一，压力传感器的智能化对于工业的自动化控制以及人类健康事业的发展意义重大。

随着压力传感器的发展，其适用的力学范围逐渐走向低压力和超低压力范畴，例如模仿人类皮肤的电子皮肤以及对人类生理活动的实时监测。但目前为止，能够实现低压力范围内的高度灵敏的压力传感器还非常少。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种压力传感器及其制备方法，能够提升灵敏度。

本发明提出的具体技术方案为：提供一种压力传感器，所述压力传感器包括：栅极；形成于所述栅极上的绝缘层；形成于所述绝缘层上的半导体层；以及形成于所述半导体层上的电极层，所述电极层包括第二绝缘层及形成于所述半导体层与所述第二绝缘层之间的源极、漏极，所述源极和所述漏极分别位于所述第二绝缘层的两侧；所述源极包括具有导电性能的第一微结构层，所述漏极包括具有导电性能的第二微结构层。

进一步地，所述第一微结构层和所述第二微结构层的截面形状均呈锯齿状。

进一步地，所述第一微结构层包括：第一微结构阵列，所述第一微结构阵列由多个第一微结构阵列排布而成；第一导电层，所述第一导电层形成于所述第一微结构表面及所述第一微结构阵列中相邻两个第一微结构之间。

进一步地，所述第二微结构层包括：第二微结构阵列，所述第二微结构阵列由多个第二微结构阵列排布而成；第二导电层，所述第二导电层形成于所述第二微结构表面及所述第二微结构阵列中相邻两个第二微结构之间。

进一步地，所述第一微结构和所述第二微结构的截面形状均为三角形。

进一步地，所述第一微结构和所述第二微结构的高度均为10～100μm，和/或所述第一微结构和所述第二微结构的宽度均为10～200μm。

进一步地，所述第一微结构阵列中相邻两个第一微结构之间的间距、所述第二微结构阵列中相邻两个第二微结构之间的间距均为10～200μm，和/或相邻的第一微结构和第二微结构之间的间距为10～500μm。

本发明还提供了一种压力传感器的制备方法，所述方法包括步骤：

提供一栅极；

在所述栅极上形成绝缘层；

在所述绝缘层上形成半导体层；

制备一电极层，以使得所述电极层包括第二绝缘层及分别位于所述第二绝缘层两侧的具有第一微结构层的源极、具有第二微结构层的漏极，所述第一微结构层、第二微结构层均具有导电性能；

将所述电极层组装于所述半导体层上，以使得所述源极、漏极位于所述半导体层与所述第二绝缘层之间。

进一步地，所述制备一电极层步骤包括：

提供一基底；

刻蚀所述基底，以在所述基底的表面形成与所述第一微结构层对应的第一图案及与所述第二微结构层对应的第二图案；

将具有导电性能的第一微结构层材料、第二微结构层材料分别旋涂到所述第一图案、第二图案，以获得所述第一微结构层、第二微结构层；

在旋涂有第一微结构层材料、第二微结构层材料的基底上旋涂第二绝缘层材料，以获得所述第二绝缘层；

将所述第二绝缘层、第一微结构层及第二微结构层从基底上剥离，以获得所述电极层。

进一步地，所述第一微结构层包括第一微结构阵列和第一导电层，所述第二微结构层包括第二微结构阵列和第二导电层，所述制备一电极层步骤包括：

提供一基底；

刻蚀所述基底，以在所述基底的表面形成与所述第一微结构阵列、第二微结构阵列对应的图案；

将绝缘材料旋涂到形成有所述图案的基底表面，获得电极基层，所述电极基层包括第二绝缘层及分别位于所述第二绝缘层两侧的第一微结构阵列、第二微结构阵列，所述第一微结构阵列由多个第一微结构阵列排布而成，所述第二微结构阵列由多个第二微结构阵列排布而成；

将所述电极基层从基底上剥离；

在所述第一微结构表面及所述第一微结构阵列中相邻两个第一微结构之间涂覆导电材料形成第一导电层，在所述第二微结构表面及所述第二微结构阵列中相邻两个第二微结构之间涂覆导电材料形成第二导电层，以获得所述电极层。

本发明提供的压力传感器及其制备方法，所述压力传感器包括第二绝缘层、源极及漏极，所述源极包括具有导电性能的第一微结构层，所述漏极包括具有导电性能的第二微结构层，所述第二绝缘层在受到低压力和超低压力时，也能够通过所述第一微结构层和所述第二微结构层之间的电流变化获得压力的大小。因此，本发明提供的压力传感器能够提升整个压力传感器的灵敏度。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1为压力传感器的结构示意图；

图2为压力传感器的另一结构示意图；

图3为不同压力大小情况下，源极、漏极之间的电流随加载在栅极上的电压的变化曲线图；

图4为不同压力大小情况下，源极、漏极之间的电流变化曲线图；

图5a至图5d为电极层的制作流程图；

图6a至图6d为另一电极层的制作流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为局限于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

参照图1，本实施例提供的压力传感器包括栅极1、绝缘层2、半导体层3及电极层4。绝缘层2、半导体层3、电极层4从下往上依次叠层设置于栅极1上。电极层4包括第二绝缘层41及位于半导体层3与第二绝缘层41之间的源极、漏极，源极和漏极分别位于第二绝缘层41的两侧。源极包括具有导电性能的第一微结构层42，漏极包括具有导电性能的第二微结构层43。

本实施例中，栅极1为硅片，绝缘层2的材质为二氧化硅，半导体层3可以为有机半导体材料或无机半导体材料，例如，有机小分子半导体、有机聚合物半导体、无机硅半导体、碳纳米管半导体等。在其他实施方式中，栅极1也可以为其他类型的导电层，例如，栅极1可以是ITO玻璃、金膜、铝膜等。绝缘层2也可以为其他类型的绝缘层，例如，绝缘层2为氧化铝、绝缘聚合物、有机无机复合绝缘层等。

第一微结构层42和第二微结构层43的截面形状均呈锯齿状，第一微结构层42和第二微结构层43本身整体具有导电性能。作为本发明的另一实施方式，如图2所示，第一微结构层42包括第一微结构阵列42a和第一导电层42b，第一微结构阵列42a由多个第一微结构10阵列排布而成，第一导电层42b覆盖于第一微结构10的表面及第一微结构阵列42a中相邻两个第一微结构10之间。第二微结构层43包括第二微结构阵列43a和第二导电层43b，第二微结构阵列43a由多个第二微结构20阵列排布而成，第二导电层43b覆盖于第二微结构20的表面及第二微结构阵列43a中相邻两个第二微结构20之间。其中，第一导电层42b、第二导电层43b的材质可以为金属、碳材料、导电聚合物等。

优选的，第一微结构10和第二微结构20为棱锥，第一微结构10和第二微结构20的截面形状均为三角形，但本发明并不限制于此，在其他实施方式中，第一微结构10和第二微结构20也可以为棱柱、圆柱、正方体或长方体。

第一微结构10和第二微结构20的高度均为10～100μm，例如，高度可以为10μm、30μm、50μm、70μm、100μm。第一微结构10和第二微结构20的宽度均为10～200μm，例如，宽度可以为10μm、50μm、100μm、150μm、200μm。第一微结构阵列42a中相邻两个第一微结构10之间的间距、第二微结构阵列43a中相邻两个第二微结构20之间的间距均为10～200μm，例如，间距可以为10μm、50μm、100μm、150μm、200μm。

相邻的第一微结构10和第二微结构20之间的间距为10～500μm，例如，相邻的第一微结构10和第二微结构20之间的间距可以为10μm、100μm、200μm、300μm、500μm，其中，相邻的第一微结构10和第二微结构20之间的间距指的是第一微结构阵列42a中靠近第二微结构阵列43a的第一微结构10与第二微结构阵列43a中靠近第一微结构阵列42a的第二微结构20之间的间距。

本实施例中，第一微结构10和第二微结构20的高度均为30μm，第一微结构10和第二微结构20的宽度均为10μm，第一微结构阵列42a中相邻两个第一微结构10之间的间距、第二微结构阵列43a中相邻两个第二微结构20之间的间距均为16μm，相邻的第一微结构10和第二微结构20之间的间距为25μm。

当第二绝缘层41受到压力作用时，第一微结构层42和第二微结构层43与半导体层3的接触面积增加，源极、漏极与半导体层3之间的电阻减小，从而源极、漏极之间的电流增大，从而根据源极、漏极之间的电流变化便可以获得压力的大小。图3给出了不同压力大小情况下，源极、漏极之间的电流随加载在栅极1上的电压的变化曲线图，图4给出了在栅极1上加载的电压为-10V，漏极上加载的电压为-60V时，在压力较小的情况下，本实施例提供的压力传感器的灵敏度为20.4KPa^-1；在压力较大的情况下，灵敏度达到了395KPa^-1，可见，本实施例提供的压力传感器能够实现高灵敏度的压力检测，而且通过改变源极、漏极或栅极的电压来控制压力传感器的灵敏度，以适应复杂的压力环境。

本实施例还提供了上述压力传感器的制备方法，所述方法包括步骤：

步骤S1、提供一栅极1；

步骤S2、在栅极1上形成绝缘层2；

步骤S3、采用真空热蒸镀的工艺在绝缘层2上形成半导体层3；

步骤S4、制备一电极层4，以使得电极层4包括第二绝缘层41及分别位于第二绝缘层41两侧的具有第一微结构层42的源极、具有第二微结构层43的漏极，第一微结构层42、第二微结构层43均具有导电性能；

步骤S5、将电极层4组装于半导体层3上，以使得源极、漏极位于半导体层3与第二绝缘层41之间。

参照图5a～5d，具体的，制备一电极层4的步骤包括：

提供一基底；

刻蚀基底，以在基底的表面形成与第一微结构层42对应的第一图案30a及与第二微结构层43对应的第二图案30b；

将具有导电性能的第一微结构层材料、第二微结构层材料分别旋涂到第一图案30a、第二图案30b，以获得第一微结构层42、第二微结构层43，第一微结构层42和第二微结构层43本身整体具有导电性能；

在旋涂有第一微结构层材料、第二微结构层材料的基底上旋涂第二绝缘层材料，以获得第二绝缘层41；

将第二绝缘层41、第一微结构层42及第二微结构层43从基底上剥离，以获得电极层4。

参照图6a～6d，在本实施例的上述压力传感器的制备方法的另一种实施方式中，第一微结构层42包括第一微结构阵列42a和第一导电层42b，第二微结构层43包括第二微结构阵列43a和第二导电层43b，所述制备一电极层4的步骤包括：

提供一基底；

刻蚀基底，以在基底的表面形成与第一微结构阵列42a、第二微结构阵列43a对应的图案；

将绝缘材料旋涂到形成有所述图案的基底表面，获得电极基层，电极基层包括第二绝缘层41及分别位于第二绝缘层41两侧的第一微结构阵列42a、第二微结构阵列43a，第一微结构阵列42a由多个第一微结构10阵列排布而成，第二微结构阵列43a由多个第二微结构20阵列排布而成；

其中，本实施例中的绝缘材料为绝缘的聚合物材料，具体的，本实施例中的绝缘材料是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)和交联剂混合制成，将PDMS与交联剂按10:1的质量比混合，搅拌半小时，然后在真空罐中除去溶液里的气泡。最后将澄清的PDMS溶液旋涂或滴铸到形成有所述图案的基底表面，以每分钟1300转的速度旋涂40秒，在70度温度下，将旋涂有PDMS溶液的基底固化2小时，得到固化后的第二绝缘层41、第一微结构阵列42a及第二微结构阵列43a。

将固化后的电极基层从基底上剥离；

在第一微结构10表面及第一微结构阵列42a中相邻两个第一微结构10之间涂覆导电材料形成第一导电层42b，在第二微结构20表面及第二微结构阵列43a中相邻两个第二微结构20之间涂覆导电材料形成第二导电层43b，从而获得电极层4。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：

栅极；

形成于所述栅极上的绝缘层；

形成于所述绝缘层上的半导体层；

以及形成于所述半导体层上的电极层，所述电极层包括第二绝缘层及形成于所述半导体层与所述第二绝缘层之间的源极、漏极，所述源极和所述漏极分别位于所述第二绝缘层的两侧；所述源极包括具有导电性能的第一微结构层，所述漏极包括具有导电性能的第二微结构层；当所述第二绝缘层受到压力作用时，所述第一微结构层和所述第二微结构层与所述半导体层的接触面积增加。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一微结构层和所述第二微结构层的截面形状均呈锯齿状。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一微结构层包括：

第一微结构阵列，所述第一微结构阵列由多个第一微结构阵列排布而成；

第一导电层，所述第一导电层形成于所述第一微结构表面及所述第一微结构阵列中相邻两个第一微结构之间。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，所述第二微结构层包括：

第二微结构阵列，所述第二微结构阵列由多个第二微结构阵列排布而成；

第二导电层，所述第二导电层形成于所述第二微结构表面及所述第二微结构阵列中相邻两个第二微结构之间。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述第一微结构和所述第二微结构的截面形状均为三角形。

6.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述第一微结构和所述第二微结构的高度均为10～100μm，和/或所述第一微结构和所述第二微结构的宽度均为10～200μm。

7.根据权利要求4-6任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述第一微结构阵列中相邻两个第一微结构之间的间距、所述第二微结构阵列中相邻两个第二微结构之间的间距均为10～200μm，和/或相邻的第一微结构和第二微结构之间的间距为10～500μm。

8.一种压力传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

提供一栅极；

在所述栅极上形成绝缘层；

在所述绝缘层上形成半导体层；

制备一电极层，以使得所述电极层包括第二绝缘层及分别位于所述第二绝缘层两侧的具有第一微结构层的源极、具有第二微结构层的漏极，所述第一微结构层、第二微结构层均具有导电性能，当所述第二绝缘层受到压力作用时，所述第一微结构层和所述第二微结构层与所述半导体层的接触面积增加；

将所述电极层组装于所述半导体层上，以使得所述源极、漏极位于所述半导体层与所述第二绝缘层之间。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备一电极层步骤包括：

提供一基底；

刻蚀所述基底，以在所述基底的表面形成与所述第一微结构层对应的第一图案及与所述第二微结构层对应的第二图案；

将具有导电性能的第一微结构层材料、第二微结构层材料分别旋涂到所述第一图案、第二图案，以获得所述第一微结构层、第二微结构层；

在旋涂有第一微结构层材料、第二微结构层材料的基底上旋涂第二绝缘层材料，以获得所述第二绝缘层；

将所述第二绝缘层、第一微结构层及第二微结构层从基底上剥离，以获得所述电极层。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一微结构层包括第一微结构阵列和第一导电层，所述第二微结构层包括第二微结构阵列和第二导电层，所述制备一电极层步骤包括：

提供一基底；

刻蚀所述基底，以在所述基底的表面形成与所述第一微结构阵列、第二微结构阵列对应的图案；

将绝缘材料旋涂到形成有所述图案的基底表面，获得电极基层，所述电极基层包括第二绝缘层及分别位于所述第二绝缘层两侧的第一微结构阵列、第二微结构阵列，所述第一微结构阵列由多个第一微结构阵列排布而成，所述第二微结构阵列由多个第二微结构阵列排布而成；

将所述电极基层从基底上剥离；

在所述第一微结构表面及所述第一微结构阵列中相邻两个第一微结构之间涂覆导电材料形成第一导电层，在所述第二微结构表面及所述第二微结构阵列中相邻两个第二微结构之间涂覆导电材料形成第二导电层，以获得所述电极层。

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