CN111060233A - 一种压电式集成化柔性触觉传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电式集成化柔性触觉传感器及其制备方法，该压电式集成化柔性触觉传感器包括双栅结构金属氧化物TFT、位于双栅结构TFT的顶栅电极层上的包含氧化锌纳米线压电薄膜层以及位于纳米压电薄膜层上的上电极，顶栅电极层、氧化锌纳米线或纳米带压电薄膜层以及上电极构成纳米压电敏感单元。该柔性触觉传感器将双栅结构金属氧化物TFT与纳米压电薄膜传感器集成为一体，金属氧化物TFT既作为电荷放大器，又作为阵元开关，实现了高灵敏度、高分辨率、高信噪比、高柔韧性、抗干扰能力强、灵敏度和量程可调的优点。其制备工艺简单、成本低廉并可大面积阵列化制备，能广泛应用于仿生电子系统、可穿戴设备、机器人和医疗健康等多个领域。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种压电式集成化柔性触觉传感器及其制备方法。
背景技术
传统的压电材料石英和钛酸锆铅(PZT)基陶瓷等因其优异的压电特性已在超声传感器领域获得广泛应用，但其易脆性不适于可穿戴式柔性化触觉传感器应用。以聚偏氟乙烯(PVDF)为代表的有机聚合物压电材料因其优异的柔韧性，特别适合于柔性化触觉传感器，但相对低的压电特性难以满足高灵敏度传感器的应用需求。为进一步提升柔性化触觉传感器的灵敏度，探索兼具高压电系数和高柔韧性的新型材料成为业界攻关的关键技术问题。
压电式触觉传感器将外部作用(如力觉、接触觉和滑觉等)转换成电荷信号量，然后经电荷放大器把电荷信号转换为电压(或电流)信号，再接入后端信号处理系统。在传统的触觉感知系统中，这两部分功能分别由两个独立的器件完成，从而不利于实现高灵敏、高集成化的触觉传感器。在传统的集成式触觉传感器中，压电材料充当触觉敏感元件，金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)用作阵元开关和电荷放大器。尽管MOSFET制作工艺成熟、灵敏度和集成度高，但难以满足在大面积、柔性化、低成本的触觉传感器的应用需求。为满足柔性化、低成本、大面积的应用需求，采用聚偏氟乙烯(PVDF)或聚偏氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)压电敏感单元与有机薄膜晶体管(OTFT)集成被认为是有效解决方案。然而，有机薄膜晶体管虽具有低成本、柔韧性等优势，但低迁移率、环境不友好等不足限制了其在大规模高性能触觉传感器的应用；另外，有机压电敏感材料虽具有高柔韧性的优点，但是压电系数远小于无机压电材料，导致触觉传感器的灵敏度偏低。另一方面，目前集成化柔性触觉传感器的TFT采用的是单栅结构，TFT的阈值电压不能动态调控，导致触觉传感器灵敏度和量程不能实现自适应，且灵敏度相对偏低，对微压力、微触觉等外界作用的检测存在较大难度。因此，如何开发兼具高灵敏度和高柔韧性的集成化柔性触觉传感器及阵列，既能实现对微小力感知，又能根据实际情况调整灵敏度和量程，是集成化柔性触觉传感器未来产业发展需要攻克的关键技术难题。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是：提供一种压电式集成化柔性触觉传感器及其制备方法，基于该目的，本发明至少提供如下技术方案：
一种压电式集成化柔性触觉传感器，其包括，双栅结构的金属氧化物薄膜晶体管(MO TFT)、位于所述双栅结构的MO TFT的顶栅电极层上的包含氧化锌纳米线或纳米带的纳米压电薄膜层以及位于所述纳米压电薄膜层上的上电极，所述顶栅电极层、包含氧化锌纳米线或纳米带的纳米压电薄膜层以及所述上电极构成纳米压电敏感单元。
进一步的，所述双栅结构的MO TFT包括依次层叠的柔性衬底、底栅电极、底栅介质层、金属氧化物半导体薄膜层、源/漏电极、顶栅介质层以及顶栅电极层。
进一步的，所述氧化锌纳米线的长度为3-5μm。
进一步的，所述金属氧化物半导体薄膜层为铟镓锌氧化物薄膜层、ZnO或掺杂的ZnO薄膜层。
进一步的，所述柔性衬底为PI基底。
一种压电式集成化柔性触觉传感器的制备方法，包括如下步骤：
在柔性基底上采用丝网印刷法制备双栅结构MO TFT的底栅电极；
在具有底栅电极的柔性基底上，通过低温磁控溅射法制备底栅介质层；
通过喷墨打印的方法在底栅介质层上制备半导体有源层；
在半导体有源层上蒸镀源/漏电极；
在具有所述源/漏电极的半导体有源层上，使用低温磁控溅射法沉积顶栅介质层；
在所述顶栅介质上制备双栅结构MO TFT的顶栅电极；
在所述顶栅电极上旋涂包含氧化锌纳米线或纳米带的纳米压电薄膜层；
在所述纳米压电薄膜层上制备上电极层。
进一步的，所述通过喷墨打印的方法在底栅介质层上制备半导体有源层的步骤包括：将Ga(NO3)3·xH2O、In(NO3)3·xH2O以及Zn(CH3COO)2·2H2O按一定比例加入到乙二醇甲醚溶液中，用磁力搅拌机在室温下进行搅拌，完全溶解，制备IGZO前驱体溶液墨水。
进一步的，所述纳米压电薄膜层的制备包括：将水热法生成的ZnO纳米线或纳米棒溶于丙酮-二甲基甲酰胺(DMF)混合液中，采用旋涂工艺将超声后的混合液涂敷在顶栅电极上，形成所述纳米压电薄膜层。
进一步的，所述水热法生成的ZnO纳米线的长度为3-5μm。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
(1)本发明压电式集成化柔性触觉传感器，采用氧化锌纳米线作为压电薄膜层，相比PVDF等有机压电材料，氧化锌纳米线具有更高的压电系数，可以提高传感器的灵敏度，相对PZT等低柔韧性的无机压电材料，氧化锌纳米线的柔韧性使其更适用于柔性化触觉传感器，其更好地解决了高灵敏性和高柔韧性之间的矛盾，有效提高了传感器的灵敏度、信噪比和抗干扰能力，更便于应用于各种可穿戴智能电子系统、机器人感知系统、生物医学器件。
(2)本发明压电式集成化柔性触觉传感器，将双栅结构的MO TFT与纳米压电薄膜传感器集成为一体，MO TFT既可以作为电荷放大器，又可以作为阵元开关。相比OTFT，MOTFT具有更高的载流子迁移率，有利于提高传感器的灵敏度，而且MO TFT的均匀性好、稳定性好。
(3)本发明压电式集成化柔性触觉传感器，MO TFT采用了双栅结构，相对于具有固定阈值电压的单栅结构MO TFT，双栅结构MO TFT可以根据传感器实际测量情况，通过在底栅电极上施加偏置电压，动态调整MO TFT的阈值电压,可以最大限度调节传感器的灵敏度和压力测量范围，增强触觉传感器的对微小压力的感知和使用的灵活性。
(4)本发明的制备工艺简单，成本低，适合大面积、阵列化制作。
附图说明
图1是本发明实施例的压电式集成化柔性触觉传感器结构示意图。
图2是本发明实施例的压电式集成化柔性触觉传感器制备流程图。
具体实施方式
接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅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的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种压电式集成化柔性触觉传感器，该传感器包括双栅结构的MO TFT以及位于该双栅结构的MO TFT的顶栅电极层上的纳米压电敏感单元。该双栅结构的氧化物薄膜包括依次层叠的柔性衬底1、底栅电极2、底栅介质层3、金属氧化物半导体薄膜层4、源/漏电极、顶栅介质层6以及顶栅电极层7，源/漏电极包括源电极501以及漏电极502。该纳米压电敏感单元由顶栅电极层7、包含氧化锌纳米线或纳米带的纳米压电薄膜层8以及上电极9构成。
在该实施例中，柔性衬底1可以是聚酰亚胺(PI)柔性基底，底栅电极2、顶栅电极7、源/漏电极以及上电极9至少包含Ag、Cu及Al中的一种。金属氧化物半导体薄膜层4可以是铟镓锌氧化物(IGZO)薄膜层、ZnO或掺杂ZnO薄膜层。
当所述压电式集成化柔性触觉传感器的压敏感单元受到外界压力作用后，纳米压电薄膜8上感应的电荷量在顶栅电极7上积累，经MO TFT，将电荷信号转换为电压或电流信号传送到后端处理电路。通过调节底栅电极的偏置电压，可根据实际测量对象，调整触觉传感器的灵敏度和响应范围。
接下来结合附图2对本发明的压电式集成化柔性触觉传感器的制备方法作详细介绍，该制备方法包括以下步骤。
首先制备双栅结构金属氧化物薄膜晶体管(MO TFT)，其包括：
步骤1：在柔性基底PI上采用丝网印刷法制备一层导电薄膜层，形成MO TFT的底栅电极。
步骤2：使用低温磁控溅射的方法在具有底栅电极的柔性基底上制备Al2O3绝缘膜形成底栅介质层。
步骤3：采用喷墨打印法在底栅介质层上制备IGZO薄膜层，经烘干以及退火处理后，形成MO TFT的半导体有源层。
步骤4：在MO TFT的半导体有源层上沉积导电金属薄膜，刻蚀形成MO TFT 的源/漏电极层。
步骤5：在具有源/漏电极的金属氧化物半导体薄膜层上，采用低温磁控溅射沉积Al2O3绝缘薄膜，形成双栅结构MO TFT的顶栅介质层。
步骤6：在顶栅介质层上沉积金属电极形成顶栅电极。
步骤7：将提前制备好的ZnO纳米线溶于丙酮-二甲基甲酰胺(DMF)混合液中，超声均匀后采用旋凃工艺将ZnO纳米材料的混合液涂敷在栅电极上，形成ZnO纳米压电薄膜层。
步骤8：在纳米压电薄膜上旋涂导电银胶形成压电薄膜传感器单元的上电极。
该实施例中，采用以下方法制备氧化锌纳米线：
将清洁后的载玻片在包含0.02mol/L的醋酸锌的乙醇溶液中浸泡10s左右后吹干，然后将载玻片在大气环境中350℃下加热20min使醋酸锌热解为氧化锌，形成ZnO种子层；
采用水热法，将浓度均为0.025mol/L的硝酸锌溶液和六次甲基四胺溶液各 20ml加入高压反应釜，然后将具有氧化锌种子层的载玻片竖直放入高压反应釜中，在95℃的条件下得到ZnO纳米线，纳米线的长度以3～5μm为宜。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种压电式集成化柔性触觉传感器，其特征在于，其包括，双栅结构的金属氧化物薄膜晶体管、位于所述双栅结构的氧化物薄膜晶体管的顶栅电极层上的包含氧化锌纳米线或纳米带的纳米压电薄膜层以及位于所述纳米压电薄膜层上的上电极，所述顶栅电极层、包含氧化锌纳米线或纳米带的纳米压电薄膜层以及所述上电极构成纳米压电敏感单元。
2.根据权利要求1的所述柔性触觉传感器，其特征在于，所述双栅结构的金属氧化物薄膜晶体管包括依次层叠的柔性衬底、底栅电极、底栅介质层、金属氧化物半导体薄膜层、源/漏电极、顶栅介质层以及顶栅电极层。
3.根据权利要求1或2的所述柔性触觉传感器，其特征在于，所述氧化锌纳米线的长度为3-5μm。
4.根据权利要求3的所述柔性触觉传感器，其特征在于，所述金属氧化物半导体薄膜层为铟镓锌氧化物薄膜层、ZnO或掺杂的ZnO薄膜层。
5.根据权利要求3的所述柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性衬底为PI基底。
6.一种压电式集成化柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在柔性基底上采用丝网印刷法制备双栅结构金属氧化物薄膜晶体管的底栅电极；
在具有底栅电极的柔性基底上，通过低温磁控溅射法制备底栅介质层；
通过喷墨打印的方法在底栅介质层上制备半导体有源层；
在半导体有源层上蒸镀源/漏电极；
在具有所述源/漏电极的半导体有源层上，使用低温磁控溅射法沉积顶栅介质层；
在所述顶栅介质上制备双栅结构金属氧化物薄膜晶体管的顶栅电极；
在所述顶栅电极上旋涂包含氧化锌纳米线或纳米带的纳米压电薄膜层；
在所述纳米压电薄膜层上制备上电极层。
7.根据权利要求6的所述制备方法，其特征在于，所述通过喷墨打印的方法在底栅介质层上制备半导体有源层的步骤包括：将Ga(NO3)3·xH2O、In(NO3)3·xH2O以及Zn(CH3COO)2·2H2O按一定比例加入到乙二醇甲醚溶液中，用磁力搅拌机在室温下进行搅拌，完全溶解，制备IGZO前驱体溶液墨水。
8.根据权利要求6或7的所述制备方法，其特征在于，所述纳米压电薄膜层的制备包括：将水热法生成的ZnO纳米线或纳米棒溶于丙酮-二甲基甲酰胺(DMF)混合液中，采用旋涂工艺将超声后的混合液涂敷在顶栅电极上，形成所述纳米压电薄膜层。
9.根据权利要求8的所述制备方法，其特征在于，所述水热法生成的ZnO纳米线的长度为3-5μm。
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