CN110364621B - 一种触觉存储电子器件及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种触觉存储电子器件及电子设备，其中，该触觉存储电子器件包括：基底、电极、半导体层、绝缘存储层和摩擦传感层；电极，设置在基底上，电极包括至少两个；半导体层，设置在基底上，连接电极；绝缘存储层，设置在半导体层上；摩擦传感层，设置在绝缘存储层上。该触觉存储电子器件的电极之间通过半导体层进行连接，接触面积大、可靠性高；电子器件的绝缘存储层和摩擦传感层直接接触，用于探测触觉信号，并且器件结构简单、制作方便，易于集成。
Description
技术领域
本发明涉及触觉存储技术领域，具体涉及一种触觉存储电子器件及电子设备。
背景技术
可变电阻式随机存取存储器是一种非易失性存储器，阻变材料层置于底、顶电极之间构成金属(M)-绝缘层(I)-金属(M)的三明治结构，通过向金属氧化物薄膜施加脉冲电压，产生大的电阻差值来存储“0”和“1”。这种结构非常简单，具有制造工艺简单、低功耗和高速重写等性能。可变电阻式随机存取存储器中的阻变材料层可以在电场的刺激下，在高阻态和低阻态之间切换，其非易失特性表现为阻变材料层的阻态不会随撤除电压或者施加小于阈值的电压而改变。一般来说，电阻状态切换的现象是通过金属阳离子(如银)和氧离子的迁移实现的，其中氧化物阻变层的电阻切换一般是由氧离子的迁移而导致导电细丝的形成和断裂引起的。在驱动可变电阻式随机存取存储器时，需要外部电源在两个电极之间施加满足规定条件的电压，按照电压施加的方向，阻变材料层的电阻值可逆地增加或者减少。
由于摩擦发电机通过摩擦可产生正负脉冲信号，现有技术中，为了避免外接电源实现可变电阻式随机存取存储器的自驱动，采用单电极摩擦发电机与可变电阻式随机存取存储器相结合构成触觉存储器件，实现对触觉信号的传感与记忆，该器件可以实现信号记录时的完全自驱动，不需要外加电源。然而，两者的简单结合使得其结构较复杂。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的触觉存储器件结构复杂的缺陷。
为此，本发明提供如下技术方案：
本发明第一方面，提供一种触觉存储电子器件，包括：基底；电极，设置在所述基底上，所述电极包括至少两个；半导体层，设置在所述基底上，连接所述电极；绝缘存储层，设置在所述半导体层上；摩擦传感层，设置在所述绝缘存储层上。
可选地，所述绝缘存储层的材料为氧化铪、氧化钽、有机铁电材料或者带有浮栅的多功能层材料。
可选地，所述氧化铪的厚度为10nm-500nm。
可选地，所述氧化铪的铪、氧元素的比例大于1:2并且小于1:1。
可选地，所述摩擦传感层的材料为聚二甲基硅氧烷、甲基丙烯酸甲酯或者全氟乙烯丙烯共聚物。
可选地，所述半导体层的材料为有机半导体材料或者无机半导体材料。
可选地，所述无机半导体材料为铟镓锌氧化物。
可选地，所述铟镓锌氧化物的厚度为20nm-100nm。
本发明第二方面，提供一种电子设备，包括如本发明第一方面中任一所述的触觉存储电子器件。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的触觉存储电子器件，包括：基底；电极，设置在所述基底上，所述电极包括至少两个；半导体层，设置在所述基底上，连接所述电极；绝缘存储层，设置在所述半导体层上；摩擦传感层，设置在所述绝缘存储层上。该触觉存储电子器件的电极之间通过半导体层进行连接，接触面积大、可靠性高；同时，半导体层可选择的材料范围广，可以使用合适的半导体层材料与柔性透明电极实现能级匹配，制备柔性透明器件，电子器件的绝缘存储层和摩擦传感层直接接触，器件结构简单、制作方便，易于集成。
2.本发明提供的电子设备，包括上述触觉存储电子器件，具有结构简单、可靠性高以及易于集成的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中触觉存储电子器件的一个具体示例的结构图；
图2为本发明实施例中触觉存储电子器件的另一个具体示例的结构图；
图3为本发明实施例中柔性触觉存储电子器件的测试连接电路示意图；
图4为本发明实施例中柔性触觉存储电子器件的测试性能表征示意图；
图5为本发明实施例中柔性触觉存储电子器件的工作机理的示意图；
图6为本发明实施例中柔性触觉存储电子器件的HfOx内部电荷转移的示意图；
图7为本发明实施例中电子设备的一个具体示例的结构图；
图8为本发明实施例中电子设备的另一个具体示例的结构图。
附图标记：
1、基底；2、电极；3、半导体层；4、绝缘存储层；5、摩擦传感层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例提供一种触觉存储电子器件，如图1所示，包括：
基底1，基底1可以是柔性基底或非柔性基底。其中，柔性基底如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)等；非柔性基底如玻璃、塑料等，根据需要合理选择即可。由于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底具有柔性，可弯曲，适合制备可穿戴设备等特点，在本实施例中，基底1采用柔性基底PET。
电极2，设置在基底1上，电极2包括至少两个。电极2可以为透明电极，如由氧化铟锡(ITO)、石墨烯或者碳纳米管等材料制备而成的电极；电极2还可以为金属电极，如铝、金、银等。由于氧化铟锡(ITO)电极为透明电极、制备简单，在本实施例中，电极2为氧化铟锡(ITO)电极。
在本实施例中，如图1所示，电极2的个数为两个，分别为电极S和电极D，当然，在其它实施例中，电极2的个数还可以为3个甚至更多个，电极2的个数越多，检测灵敏度越高，根据需要合理设置即可。
半导体层3，设置在基底1上，连接电极2。半导体层3的材料为有机半导体材料或者无机半导体材料；无机半导体材料可以为铟镓锌氧化物(IGZO)、氧化锌、氧化锌锡等金属氧化物，也可以为石墨烯、碳纳米管等非金属；有机半导体材料可以为并五苯、聚乙烯噻吩等有机小分子或聚合物材料；半导体层3还可以为二维材料等制备而成的半导体层，二维材料如二硫化钼或者黑磷等。
IGZO(indium gallium zinc oxide)为铟镓锌氧化物，非晶IGZO材料用于新一代薄膜晶体管技术中的沟道层材料，是金属氧化物(Oxide)面板技术的一种。金属氧化物半导体材料有很多，包括N型半导体材料和P型半导体材料，IGZO为一种优选的N型半导体材料，同时，类似于IGZO的ZnO(氧化锌)、Sn-Zn-O(氧化锌锡)等金属氧化物半导体以及有机半导体材料、石墨烯、碳纳米管，二维材料等都可以应用于本发明实施例中的触觉存储电子器件。在本实施例中，半导体层3为无机半导体材料中的铟镓锌氧化物(IGTO)，铟镓锌氧化物的厚度的优选范围为20nm-100nm，优选值为40nm，这样得到的存储比大；当然，在其它实施例中，铟镓锌氧化物的厚度也可以为其它值，厚度越小，则其能够流过的电流越小，进而使得存储比例小；厚度越大，则其能够流过的电流越大，所以摩擦传感层对铟镓锌氧化物层电流的调控作用也会变得不明显，导致其存储效果差。半导体层3的形状可以如图1所示，半导体层3覆盖电极2；也可以如图2所示，半导体层3不覆盖电极2；半导体层3只要能将电极2进行连接即可，其具体形状不受限制。
绝缘存储层4，设置在半导体层3上。绝缘存储层4为关键功能层，该关键功能层的功能包括绝缘性以及存储特性。绝缘存储层4的材料可以为氧化铪、氧化钽(TaOx)等金属氧化物绝缘材料；也可以为有机铁电材料，如聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物(PVDF-CTFE)、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯-三氟乙烯(PVDF-CTFE-TrFE)；还可以为带有浮栅的多功能层材料，如基于钽(Ta)浮栅的Ta2O5绝缘层。
由于氧化铪具有透明、性质稳定等特点，在本实施例中，绝缘存储层4的材料为氧化铪，氧化铪的厚度的优选范围为10nm-500nm，优选值为20nm，这样可以得到大的存储比；当然，在其它实施例中，氧化铪的厚度还可以为其它值，如800nm或者1um等，厚度越大其存储效果越差。在本实施例中，氧化铪的铪、氧元素的比例优选范围为大于1:2并且小于1:1，优选比例为1:1.5，即HfOx中的x的值为1.5，这样便于得到大的存储比；当然，在其它实施例中，铪、氧元素的比例还可以为介于1:2和1:1之间的其它数值，当铪、氧元素的比例接近1:1时，氧化铪的绝缘效果较差，当铪、氧元素的比例接近1:2时，氧化铪不易存储，故铪、氧元素的比例根据需要合理设置即可。
摩擦传感层5，设置在绝缘存储层4上。摩擦传感层5可以为柔性摩擦传感层，也可以为非柔性摩擦传感层。其中，柔性摩擦传感层的材料可选择的种类十分丰富，根据摩擦电性不同，可以选择甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)或者聚二甲基硅氧烷(PDMS)等材料。非柔性摩擦传感层的材料可以为硅或者金属等。
由于聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有柔性、稳定性好及价格便宜等特点，在本实施例中，摩擦传感层5的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
上述触觉存储电子器件，电极之间通过半导体层进行连接，接触面积大、可靠性高；电子器件的绝缘存储层和摩擦传感层直接接触，实现了器件的自驱动，并且器件结构简单、制作方便，易于集成。
上述触觉存储电子器件的具体制备工艺流程如下：首先，在柔性基底PET上溅射140nm厚的ITO电极S和电极D；随后，利用掩膜版溅射40nm左右厚的铟镓锌氧化物(IGZO)作为半导体层；待半导体层制备完成后，在半导体层和ITO上方溅射20nm左右厚的氧化铪绝缘存储层，控制铪、氧元素的比例在1：1.5左右；最后，在器件上方旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为摩擦传感层，完成器件制备。
对本实施例中的柔性触觉存储电子器件进行测试，测试连接电路示意图如图3所示；测试性能表征示意图如图4所示，表示随着手指按压或者摩擦柔性摩擦传感层PDMS时器件的沟道电流变化情况。
按照图3的测试连接电路示意图将柔性触觉存储电子器件的测试电路搭建好。由图4的柔性触觉存储电子器件的性能表征可知：当人手按压的时候，沟道内电子数量降低，沟道电流降低，同时氧空位(正电荷)和氧离子(负电荷)向相反的方向移动，形成内建电场；当人手离开时，内建电场依然存在，触摸信息被存储记录了下来；当反复重复此过程多次后，电流会保持在10-6左右，这是因为内建电场的场强与外部电场大小相似，正负电荷不能再因为外界的偏压而运动，此时表现的是饱和状态。由图4的测试结果可知：本实施例中的柔性触觉存储电子器件的写入电流与擦除电流的比值在几百倍以上，使得写入和擦除信号易探测，可以实现多级存储。
图5为柔性触觉存储电子器件的工作机理的示意图。如图5所示，(a)当人手距离PDMS层十分远时，带正电的HfOx对人手并没有静电诱导作用和摩擦电荷转移，此时HfOx层和人手之间的电势差为0V；(b)当人手逐渐靠近PDMS时，由于静电诱导作用，人手和HfOx产生电势差，电势差方向从HfOx指向人手；(c)当人手和PDMS接触时，产生摩擦电荷，此时人手和HfOx电势差为0V，但由于人手和PDMS不能全面接触(指纹或者其它不平整的地方)，所以此时还会存在一部分电势差，电势差方向从HfOx指向人手，这部分电势差开始长时间作用于HfOx，产生了记忆效果；(d)当人手和PDMS分离时，由于静电诱导作用，人手和HfOx产生电势差，电势差方向从人手指向HfOx。但人手撤出时速度很快，所以产生的是瞬时脉冲。
图6为柔性触觉存储电子器件中的HfOx内部电荷转移的示意图。HfOx内部离子随电压的变化情况如图6所示，其中的VG表示氧化铪内部的电势差，(a)初始时，由于绝缘存储层内的离子化Hf的存在(在此处被视为带正电的固定电荷)，同时，氧空位和氧原子的数量较少，对绝缘存储层的电性影响不大，促使绝缘存储层内部带正电，同时在沟道内部诱导出可以自由移动的电子，晶体管处于开的状态；(b)当绝缘存储层被施加负偏压时，绝缘存储层内部产生氧空位和氧原子(因为晶格不完美)，在偏压的作用下向两极移动，此时，沟道内部电子数量降低；(c)当绝缘存储层被施加正向偏压时，绝缘存储层内部的氧空位和氧原子在偏压的作用下向两极移动，如图6(c)所示，沟道又处于开启的状态。
本实施例还提供一种电子设备，包括上述触觉存储电子器件，具有结构简单、可靠性高以及易于集成的优点。
上述电子设备可以为触觉传感器，应用于触觉传感领域，如指纹识别等；还可以为材料识别传感器，用于材料识别；还可以为用于识别材料并加以存储的电子皮肤。以上仅是举例说明，并不以此为限，在实际应用中可根据具体应用场合做相应变动。
图7是表示根据本实施例中的柔性触觉存储电子器件构成的一种按压监测的柔性透明传感器的实施例的阵列示意图。个人隐私以及商业等信息的保护在当今社会变得至关重要。本实施例中的柔性触觉存储电子器件，可以使用在被加密的文件、器械中与使用人接触的位置，如文件夹封面，键盘表面等。当人手或者手套等其他介质触碰到被加密文件、器械时，触摸信息将会被存储在本发明电子器件的功能层中，通过后期读取，触摸的时间、压力将会被获取，实现被保护文件、器械的按压监测。如图7所示为该种器件组成的传感阵列，包括8个相同的触觉存储电子器件，当人手碰到阵列时，流过器件的电流信号发生改变，通过多种器件的集成，可以准确识别指纹等信息。
本实施例还提供一种用于识别材料并加以存储的电子皮肤，如图8所示，包括上述触觉存储电子器件，具有结构简单、可以制备柔性全透明器件，可靠性高以及易于集成的优点。
图8是表示根据本实施例中的柔性触觉存储电子器件构成的柔性电子皮肤的实施例的阵列示意图。柔性电子皮肤是一种新型机器人皮肤，这种皮肤覆盖在机器人的机械臂上，可以让机器人获得“触觉”，能够灵活避开前进中遇到的各种障碍。随着人工智能的蓬勃发展，机器人在工业生产，生活娱乐等方面有着十分重要的作用。本实施例中的柔性触觉存储电子器件可以作为机器人的皮肤触觉传感器，用于检测触碰的力信号和材料特征等信号，实现快速、准确的人机交互以及人工智能控制。在本实施例中，如图8所示，字母A-H分别代表有着不同的摩擦传感层材料的电子器件；当然，在其它实施例中，基于不同摩擦传感层材料的电子器件的个数设置越多，检测的精确度就会越高。由于不同材料间的摩擦电序，在两种材料互相接触时，材料所带的摩擦电荷不同(正负性不同，如果一种材料带正电，则另一种材料带负电)，所以摩擦传感层表面所产生的摩擦电荷符号不同，当一种目标材料靠近A-H感应层时，通过A-H各器件的电流变化情况，则可确定出目标材料的摩擦电序，从而判断出目标材料的材质是金属，木头，玻璃等。目标材料与摩擦传感层接触，当摩擦传感层的材料越容易产生正电荷时，其绝缘存储层内部的电势差越大，使得半导体层中的电子数量越多，则检测到的电流会越大。如A为苯胺甲醛树脂材料，B为三聚氰胺甲醛材料，C为苯乙烯-丙烯腈共聚物，D为聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)，E为聚氨酯弹性海绵，F为聚苯乙烯，G为聚酰亚胺(Kapton)材料，H为聚四氟乙烯(Teflon)，当检测到的电流变化情况为A器件电流增大，其它器件电流减小或者没有明显变化时，说明材料的摩擦电序介于A和B之间。这种器件组成的阵列在机器人的触觉识别有着十分重要的应用。结合现有的视觉识别技术，可以准确的识别电子皮肤(机器人皮肤)触摸到的材料材质和大致性质。当然，在其它实施例中，构成电子皮肤的柔性触觉存储电子器件的摩擦传感层的材料也可以相同，这样不同目标材料靠近时，检测到的电流变化情况也不相同，根据检测到的电流大小也可以判断目标材料的材质。表1为不同材料的摩擦电序表。
表1不同材料的摩擦电序表
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种触觉存储电子器件，其特征在于，包括：
基底；
电极，设置在所述基底上，所述电极包括至少两个；
半导体层，设置在所述基底上，连接所述电极；
绝缘存储层，设置在所述半导体层上，绝缘存储层具有绝缘性和存储特性；
摩擦传感层，旋涂在所述绝缘存储层上，绝缘存储层和摩擦传感层直接接触。
2.根据权利要求1所述的触觉存储电子器件，其特征在于，所述绝缘存储层的材料为氧化铪、氧化钽、有机铁电材料或者带有浮栅的多功能层材料。
3.根据权利要求2所述的触觉存储电子器件，其特征在于，所述氧化铪的厚度为10nm-500nm。
4.根据权利要求2所述的触觉存储电子器件，其特征在于，所述氧化铪的铪、氧元素的比例大于1:2并且小于1:1。
5.根据权利要求1所述的触觉存储电子器件，其特征在于，所述摩擦传感层的材料为聚二甲基硅氧烷、甲基丙烯酸甲酯或者全氟乙烯丙烯共聚物。
6.根据权利要求1-5任一所述的触觉存储电子器件，其特征在于，所述半导体层的材料为有机半导体材料或者无机半导体材料。
7.根据权利要求6所述的触觉存储电子器件，其特征在于，所述无机半导体材料为铟镓锌氧化物。
8.根据权利要求7所述的触觉存储电子器件，其特征在于，所述铟镓锌氧化物的厚度为20nm-100nm。
9.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一所述的触觉存储电子器件。
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