CN109282923A - 一种半导体压力传感器及其压力测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体压力传感器，其包括顶栅型场效应晶体管、电致变色器件、第一开关、第二开关、恒定电源，顶栅型场效应晶体管的栅极包括压电层，顶栅型场效应晶体管的源极通过第一开关与电致变色器件的工作电极相连，顶栅型场效应晶体管的漏极连接电源线，电致变色器件的对电极接地；第二开关连接恒定电源的负极与第一开关，且第二开关、恒定电源所在旁路与电致变色器件相并联。另外，本发明提供了一种半导体压力传感器的压力测量方法，该方法无需使用复杂的接口电路，通过眼睛直接观察颜色即可获得当前环境的压力信息。本发明的半导体压力传感器具有功耗低、灵敏度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，尤其涉及一种具有低功耗、高灵敏度的半导体压力传感器，该压力传感器可以通过颜色指示压力。
背景技术
压力传感器作为传感器的一个重要类型，长期占据着传感器市场的主要份额，在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的其他领域中都得到广泛应用。半导体压力传感器是压力传感器的一种重要类型，具有结构简单、制备成本低以及易于接口电路集成等优点。该类型传感器主要利用半导体材料的物理特性将压力信号转化为电信号，它主要包括有源和无源两种类型。相比于前者，有源传感器兼具信号转换和放大的功能并具有输出电学参数灵活多样的优点，因此是当前的研究热点。一个典型的半导体压力传感器呈场效应晶体管结构，在外界压力作用下，晶体管的载流子迁移率发生变化，进而引起晶体管的输出电流等电学特性发生改变，从而实现将环境压力转化为电信号。对于现有的基于场效应晶体管的半导体压力传感器，它需要在外加栅压的条件下才能工作，因此存在着传感器功耗偏高的问题。此外，该类型传感器的灵敏度也有待于进一步提升，以满足技术发展的需求。再者，该类传感器还需进一步使用接口电路对电信号进行检测和显示(或读出)，最终实现环境压力的测量。接口电路的使用一方面有助于提高传感器的测量精度；但另一方面，却也增加了传感器的设计与制备的难度和成本，并且还增加了传感器的体积和功耗。因此，针对一些对传感器成本和功耗有严格要求而对其精度无高要求的领域(如智能手机等消费类电子产品)，上述方案越来越难以满足技术发展的需求。
电致变色指的是材料颜色在外加电场的作用下发生稳定、可逆变化的现象。一个典型的电致变色器件包括：对电极/离子存储层/电解质层/电致变色层/工作电极。其中，电致变色层是实现电致变色器件功能的关键部分，该层在外加电场的驱动下会发生氧化还原反应而产生对光谱吸收能带的变化，从而改变了自身颜色。目前，电致变色器件已在智能调光玻璃、汽车自动防眩目后视镜等领域得到应用。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种半导体压力传感器，所述半导体压力传感器包括顶栅型场效应晶体管、电致变色器件、第一开关、第二开关、恒定电源，所述顶栅型场效应晶体管的栅极包括压电层，所述顶栅型场效应晶体管的源极通过第一开关与所述电致变色器件的工作电极相连，所述顶栅型场效应晶体管的漏极连接电源线，所述电致变色器件的对电极接地；所述第二开关连接所述恒定电源的负极与所述第一开关，且所述第二开关、所述恒定电源所在旁路与所述电致变色器件相并联。
优选地，所述顶栅型场效应晶体管包括第二衬底，所述顶栅型场效应晶体管制备在所述第二衬底上表面。
优选地，所述第二衬底的下表面相对于所述场效应晶体管的位置设置有凹槽。
优选地，还包括第一衬底，所述第一衬底与所述第二衬底相贴合以密封所述凹槽。
优选地，所述压电层的两外侧端部边缘与所述源极和/或所述漏极的内侧端部边缘对齐；和/或所述压电层的两外侧端部边缘与所述源极和/或所述漏极的内侧端部边缘部分交叠。
优选地，所述压电层的两外侧端部与所述源极或所述漏极的内侧端部的交叠区域长度为5μm-50μm。
优选地，所述顶栅型场效应晶体管的沟道半导体层为单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化锌、铟镓锌氧化物、酞菁铜或并五苯；和/或所述压电层为石英、锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝或聚偏氟乙烯。
本发明还提供了一种半导体压力传感器的压力测量方法，所述半导体压力传感器包括顶栅型场效应晶体管、电致变色器件、第一开关、第二开关、恒定电源，所述顶栅型场效应晶体管的栅极包括压电层，所述顶栅型场效应晶体管的源极通过第一开关与所述电致变色器件的工作电极相连，所述顶栅型场效应晶体管的漏极连接电源线，所述电致变色器件的对电极接地；所述第二开关连接所述恒定电源的负极与所述第一开关，且所述第二开关、所述恒定电源所在旁路与所述电致变色器件相并联；所述压力测量方法包括：
重置阶段，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，此时在恒定电源的作用下，所述电致变色层的颜色被重置到初始状态；
显示阶段，所述第一开关闭合，所述第二开关断开，根据所述电致变色层的颜色指示当前环境的压力。
优选地，所述重置阶段的持续时间不小于所述电致变色层反应达到饱和所需的时间，所述持续时间为1s–100s。
优选地，所述显示阶段的持续时间不小于所述电致变色层反应达到饱和所需的时间，所述持续时间为1s–100s。
有益效果：
本发明提供的半导体压力传感器，具有以下优点：
1、本发明通过压电效应产生的压电电荷为晶体管的栅极提供偏置，无需外加栅压就能工作，因此具有低功耗的优点；
2、本发明的传感器在环境压力作用下，晶体管的载流子数目和载流子的迁移率均发生改变，这导致晶体管在压力作用下的电学特性变化更加明显，因此本发明的传感器具有高灵敏度的优点；
3、本发明传感器的敏感单元与现有晶体管的结构完全相同，因此，完全可以采用现有晶体管(或电路)的工艺流程制备，生产成本低，体积小，并易与接口电路集成；
4、与现有技术相比，本发明的传感器无需使用接口电路即可实现压力测量，设计和制备简单、成本低、体积小，并进一步降低了传感器功耗；
5、本发明通过眼睛观察颜色即可获得环境压力信息，操作简单，使用方便，设计富有人性化。
附图说明
图1为本发明的半导体压力传感器的剖面结构示意图；
图2为本发明的具有颜色指示压力功能的压力传感器的示意图。
其中，1、半导体压力传感器，11、第一衬底，12、密封腔，13、第二衬底，14、源极，15、漏极，16、半导体层，17、栅氧化层，18、压电层；2、第一开关，3、电致变色器件，4、第二开关，5、恒定电源。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。提供以下具体实施方式的目的是便于对本发明公开内容更清楚透彻的理解，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。
实施例1
如图1和图2所示，本发明提供一种半导体压力传感器1，该半导体压力传感器1呈顶栅型场效应晶体管结构，半导体压力传感器1包括第一衬底11、位于第一衬底11上方的且设有凹槽的第二衬底13、对称设置在第二衬底13的两相对侧的源极14和漏极15、设置在第二衬底13上方并覆盖源极14和漏极15的半导体层16、设置在半导体层16上的栅氧化层17、设置在栅氧化层17上方且在凹槽的正上方的压电层18。该顶栅型场效应晶体管结构的源极14通过第一开关2与电致变色器件3的工作电极相连，该顶栅型场效应晶体管结构的漏极15与电源线VDD连接，电致变色器件3的对电极接地；第二开关4连接恒定电源5的负极，且第二开关4、恒定电源5所在旁路与电致变色器件3相并联；电致变色器件3包括对电极、离子存储层、电解质层、电致变色层及工作电极。
具体地，第二衬底13下方设有凹槽，第二衬底13的凹槽与第一衬底11围成的区域为密封腔12；源极14、漏极15、半导体层16、栅氧化层17、压电层18构成一顶栅型场效应晶体管结构；源极14、漏极15位于第二衬底13的左右两侧；栅氧化层17设在半导体层16上方；压电层18设置密封腔12的正上方；压电层18的两外侧端部边缘与源极14的内侧端部边缘和/或漏极15的内侧端部边缘对齐，或者压电层18的两外侧端部边缘与源极14的内侧端部和/或漏极15的内侧端部边缘部分交叠，交叠区域长度为5μm-50μm，这样可以使得外加压力作用下薄膜产生形变时，压电层18与源极14、漏极15之间不出现间隙，以确保在弯曲状态下晶体管在源、漏之间形成连续的导电沟道。
如图2所示，半导体压力传感器1的漏极15与电源线Vdd连接，源极14与第一开关2的一端连接，第一开关2的另一端与电致变色器件3的工作电极连接、第一开关2的另一端还与第二开关4的一端连接，第二开关4的另一端与恒定电源5的负极连接，电致变色器件3的对电极与地线Vss连接，恒定电源5的正极与地线Vss连接。
具体地，第一衬底11和第二衬底13为刚性的绝缘衬底，例如包括玻璃、带绝缘层的硅片；半导体层16可采用无机物半导体或有机物半导体，可为p型或n型半导体，例如包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化锌、铟镓锌氧化物、酞菁铜或并五苯等；压电层18包括具有压电效应的材料，优选为石英、PZT(lead zirconate titanate，锆钛酸铅)、ZnO、AlN或聚偏氟乙烯(PVDF)，厚度在200nm-2000nm，对于某些需要预极化才具有压电效应的材料，还包括形成在该具有压电效应的材料层的上下表面的金属电极，以便对材料进行预极化。
进一步地，电致变色器件3的工作电极为透明电极，优选为氧化铟锡(ITO)，以便眼睛可以直接观察到电致变色层的颜色。除了工作电极有上述特殊要求外，电致变色器件3的其他各层没有特殊要求。另外，第一开关2和第二开关4为无极性开关；恒定电源5为恒定电压源或恒定电流源。
本发明的半导体压力传感器的工作原理如下：
在环境压力作用下，位于密封腔12上方的薄膜发生形变，根据压电效应，压电层18由于形变引起的应变会在它上下两个相对表面产生正负相反的压电电荷，靠近半导体层16一侧的压电电荷类似于施加在栅极的外加偏压，可以调控半导体层16表面的载流子浓度，进而引起晶体管输出电流等电学特性的变化；此外，半导体层由于形变引起的应变导致半导体层载流子的运动速度以及迁移率发生变化，进而引起晶体管的输出电流等电学特性发生变化。上述两个方面对晶体管电学特性影响的趋势一致，因此，这两个方面协同作用显著提高传感器的灵敏度。
实施例2
参照图1和图2，本发明还提供了一种压力测量方法，该测量方法使用实施例1的压力传感器，通过电致变色器件3的颜色变化指示当前的环境压力，为了便于说明，假定半导体层16为n型，对于p型半导体层，工作原理类似。压力测量方法具体包括：
重置阶段：首先，第一开关2断开，第二开关4闭合，此时在恒定电源5的作用下，电致变色器件3发生还原(或氧化)反应，并导致电致变色层褪色(或着色)，电致变色层的颜色被重置到初始状态，需说明的是，该阶段持续的时间应不小于电致变色层完全恢复到初始状态所需的时间，以确保电致变色层充分恢复到初始状态，典型时间为1s–100s，具体时间取决于电致变色器件所使用的材料和结构；
显示阶段：随后，第一开关2闭合，第二开关4断开，此时在流过源极14与漏极15间的输出电流的作用下，电致变色器件3发生氧化(或还原)反应，并引起电致变色层发生着色(或褪色)，从而导致电致变色层的颜色改变，环境压力不同，源极14与漏极15间输出电流的大小也不同，相应地，电致变色层颜色变化的程度也不同，因此，可以根据电致变色层的颜色指示当前环境的压力，需说明的是，该阶段持续的时间应不小于电致变色层反应达到饱和所需的时间，以确保电致变色层的颜色在特定湿度作用下不再发生改变，典型时间为1s–100s，具体时间取决于电致变色器件所使用的材料和结构。因此，通过上述压力测量方法可以获取当前的环境压力。
与现有技术相比，本发明通过压电效应产生的压电电荷为晶体管的栅极提供偏置，无需外加栅压就能工作，因此具有低功耗的优点；传感器在环境压力作用下，晶体管的载流子数目和载流子的迁移率均发生改变，这导致晶体管在压力作用下的电学特性变化更加明显，因此本发明的传感器具有高灵敏度的优点；敏感单元与现有晶体管的结构完全相同，因此，完全可以采用现有晶体管(或电路)的工艺流程制备，生产成本低，体积小，并易与接口电路集成；无需使用接口电路即可实现压力测量，设计和制备简单、成本低、体积小，并进一步降低了传感器功耗；通过眼睛观察颜色即可获得环境压力信息，操作简单，使用方便，设计富有人性化。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体压力传感器，其特征在于，所述半导体压力传感器包括顶栅型场效应晶体管、电致变色器件、第一开关、第二开关、恒定电源，所述顶栅型场效应晶体管的栅极包括压电层，所述顶栅型场效应晶体管的源极通过第一开关与所述电致变色器件的工作电极相连，所述顶栅型场效应晶体管的漏极连接电源线，所述电致变色器件的对电极接地；所述第二开关连接所述恒定电源的负极与所述第一开关，且所述第二开关、所述恒定电源所在旁路与所述电致变色器件相并联。
2.根据权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征在于，所述顶栅型场效应晶体管包括第二衬底，所述顶栅型场效应晶体管制备在所述第二衬底上表面。
3.根据权利要求2所述的半导体压力传感器，其特征在于，所述第二衬底的下表面相对于所述场效应晶体管的位置设置有凹槽。
4.根据权利要求3所述的半导体压力传感器，其特征在于，还包括第一衬底，所述第一衬底与所述第二衬底相贴合以密封所述凹槽。
5.根据权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征在于，所述压电层的两外侧端部边缘与所述源极和/或所述漏极的内侧端部边缘对齐；和/或所述压电层的两外侧端部边缘与所述源极和/或所述漏极的内侧端部边缘部分交叠。
6.根据权利要求5所述的半导体压力传感器，其特征在于，所述压电层的两外侧端部与所述源极或所述漏极的内侧端部的交叠区域长度为5μm-50μm。
7.根据权利要求1所述的半导体压力传感器，其特征在于，所述顶栅型场效应晶体管的沟道半导体层为单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化锌、铟镓锌氧化物、酞菁铜或并五苯；和/或所述压电层为石英、锆钛酸铅、氧化锌、氮化铝或聚偏氟乙烯。
8.一种半导体压力传感器的压力测量方法，其特征在于，所述半导体压力传感器包括顶栅型场效应晶体管、电致变色器件、第一开关、第二开关、恒定电源，所述顶栅型场效应晶体管的栅极包括压电层，所述顶栅型场效应晶体管的源极通过第一开关与所述电致变色器件的工作电极相连，所述顶栅型场效应晶体管的漏极连接电源线，所述电致变色器件的对电极接地；所述第二开关连接所述恒定电源的负极与所述第一开关，且所述第二开关、所述恒定电源所在旁路与所述电致变色器件相并联；所述压力测量方法包括：
重置阶段，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，此时在恒定电源的作用下，所述电致变色层的颜色被重置到初始状态；
显示阶段，所述第一开关闭合，所述第二开关断开，根据所述电致变色层的颜色指示当前环境的压力。
9.根据权利要求8所述的压力测量方法，其特征在于，所述重置阶段的持续时间不小于所述电致变色层反应达到饱和所需的时间，所述持续时间为1s–100s。
10.根据权利要求8所述的压力测量方法，其特征在于，所述显示阶段的持续时间不小于所述电致变色层反应达到饱和所需的时间，所述持续时间为1s–100s。
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