CN111811703B - 压力传感器和电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，提出一种压力传感器和电子装置。该压力传感器包括衬底基板、薄膜晶体管、电极层和弹性导体层；薄膜晶体管设于衬底基板之上；绝缘层组设于薄膜晶体管的远离衬底基板的一侧，绝缘层组上设置有过孔；电极层设于绝缘层组的远离衬底基板的一侧，电极层包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极之间设置有间隔空间，第一电极通过过孔连接于薄膜晶体管的源极或漏极；弹性导体层设于电极层的远离衬底基板的一侧，弹性导体层的电阻能够随施加在其上的压力的变化而变化，使通过第一电极和第二电极之间的电流发生变化。该压力传感器的响应度高、灵敏度较高、有超低的检测限。

Description

压力传感器和电子装置

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和包括该压力传感器的电子装置。

背景技术

随着技术的不断进步，人们对周边环境信息的采集深度与广度不断提升，柔性压力传感器作为一类十分重要的信息采集器件得到越来越广泛的应用。不仅如此，以柔性压力传感技术替代传统的传感技术，颠覆了对传统电子器件、传感器件及系统等形态和功能的认知，该类器件为社会生活的多个方面带来了革命性变化，针对柔性压力传感器的研究也成为近年来的热点。

但是，现有的柔性压力传感器的各项性能不能很好的满足要求。

因此，有必要研究一种新的压力传感器和包括该压力传感器的电子装置。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的各项性能不能满足要求的不足，提供一种各项性能能够满足要求的压力传感器。

本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。

根据本公开的一个方面，提供一种压力传感器，包括：

衬底基板；

薄膜晶体管，设于所述衬底基板之上；

绝缘层组，设于所述薄膜晶体管的远离所述衬底基板的一侧，所述绝缘层组上设置有过孔；

电极层，设于所述绝缘层组的远离所述衬底基板的一侧，所述电极层包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间设置有间隔空间，所述第一电极通过所述过孔连接于所述薄膜晶体管的源极或漏极；

弹性导体层，设于所述电极层的远离所述衬底基板的一侧，所述弹性导体层的电阻能够随施加在其上的压力的变化而变化，使通过第一电极和第二电极之间的电流发生变化。

在本公开的一种示例性实施例中，所述弹性导体层包括：

弹性绝缘膜；

导体膜，设于所述弹性绝缘膜的靠近所述电极层的一侧。

在本公开的一种示例性实施例中，所述弹性绝缘膜上设置有多个弹性凸起。

在本公开的一种示例性实施例中，一部分所述弹性凸起向靠近所述衬底基板一侧突出，另一部分所述弹性凸起向远离所述衬底基板一侧突出。

在本公开的一种示例性实施例中，所述弹性绝缘膜的材质是聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷，所述导体膜的材质是掺杂银纳米离子、银纳米线或碳纳米管的3,4-乙烯二氧噻吩单体与苯乙烯磺酸混合物；所述银纳米离子、所述银纳米线或所述碳纳米管的导电率大于10⁵s·cm-1；所述3,4-乙烯二氧噻吩单体与苯乙烯磺酸混合物的导电率大于100s·cm-1。

在本公开的一种示例性实施例中，所述压力传感器还包括：

遮光层，与所述电极层同层同材料设置，所述薄膜晶体管的沟道在所述衬底基板上的正投影在所述遮光层在所述衬底基板上的正投影内。

在本公开的一种示例性实施例中，所述薄膜晶体管包括：

栅极，设于所述衬底基板之上；

栅绝缘层，设于所述栅极的远离所述衬底基板的一侧；

有源层，设于所述栅绝缘层的远离所述衬底基板的一侧；

源漏极，设于所述有源层的远离所述衬底基板的一侧。

在本公开的一种示例性实施例中，所述压力传感器还包括：

接地电极，设于所述衬底基板与所述栅绝缘层之间，与所述栅极同层同材料设置。

在本公开的一种示例性实施例中，所述衬底基板是柔性基板。

根据本公开的一个方面，提供一种电子装置，包括：

上述任意一项所述的压力传感器，所述压力传感器用于感测压力或识别指纹。

由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：

本发明的压力传感器，在薄膜晶体管之上设置有电极层，电极层包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极之间设置有间隔空间，第一电极通过过孔连接于薄膜晶体管的源极或漏极，通过薄膜晶体管可以控制该压力传感器的开关，使该压力传感器的响应度高一般小于20ms；在电极层之上设置有弹性导体层，弹性导体层的电阻能够随施加在其上的压力的变化而变化，使通过第一电极和第二电极之间的电流发生变化，测量电流值即可对应得到压力值。该压力传感器灵敏度较高，一般大于50kPa^-1；而且具有超低的检测限，该检测限大约为1Pa；弹性导体层具有很好的回弹性，可靠性高一般400次循环压缩响应稳定。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是本发明压力传感器一示例实施方式的结构示意图；

图2-图7是制备弹性导体层时各个步骤的结构示意图；

图中主要元件附图标记说明如下：

1、衬底基板；

2、薄膜晶体管；21、栅极；22、栅绝缘层；23、有源层；24、源极；25、漏极；

3、绝缘层组；31、保护层；32、钝化层；33、缓冲层；

41、第一电极；42、第二电极；43、遮光层；

5、弹性导体层；51、PDMS薄膜；52、第一凸起；53、第二凸起；54、Ag@PEDOT：PSS；

6、接地电极；

7、仿生凸出模板；71、柱状突出；

81、第一过孔；82、第二过孔。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

本示例实施方式首先提供了一种压力传感器，参照图1所示的本发明压力传感器一示例实施方式的结构示意图；该压力传感器可以包括衬底基板1、薄膜晶体管2、绝缘层组3、电极层以及弹性导体层5；薄膜晶体管2设于所述衬底基板1之上；绝缘层组3设于所述薄膜晶体管2的远离所述衬底基板1的一侧，所述绝缘层组3上设置有过孔；电极层设于所述钝化层32的远离所述衬底基板1的一侧，所述电极层可以包括第一电极41和第二电极42，所述第一电极41和所述第二电极42之间设置有间隔空间，所述第一电极41通过所述过孔连接于所述薄膜晶体管2的源极24或漏极25；弹性导体层5设于所述电极层的远离所述衬底基板1的一侧，所述弹性导体层5的电阻能够随施加在其上的压力的变化而变化，使通过第一电极41和第二电极42之间的电流发生变化。

在本示例实施方式中，衬底基板1可以为柔性基板，衬底基板1的材质可以为聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、塑料等等。当然，在本发明的其他示例实施方式中，衬底基板1也可以为刚性基板，材质可以为玻璃。

在本示例实施方式中，设置在衬底基板1之上的薄膜晶体管2可以包括栅极21、栅绝缘层22、有源层23以及源漏极；栅极21设于衬底基板1之上；栅绝缘层22设于栅极21的远离衬底基板1的一侧；有源层23设于栅绝缘层22的远离衬底基板1的一侧；源漏极设于有源层23的远离衬底基板1的一侧。该薄膜晶体管2为底栅型薄膜晶体管，当然，在本发明的其他示例实施方式中，也可以是顶栅型薄膜晶体管，即栅极21设置在有源层23的远离衬底基板1的一侧；还可以是双栅型薄膜晶体管，对这两种薄膜晶体管的具体结构在此不再赘述。

在本示例实施方式中，压力传感器还可以包括接地电极6，接地电极6设于衬底基板1与栅绝缘层22之间，与栅极21同层同材料设置，接地电极6可以与第一电极41或第二电极42形成存储电容，存储电容能够在接收到压力时存储电容，在将电容信号读出，以延长信号时间。在本示例实施方式中，绝缘层组3可以包括保护层31、钝化层32和缓冲层33，保护层31设于源漏极的远离衬底基板1的一侧，保护层31仅覆盖部分源极24和部分漏极25，即使部分源极24和部分漏极25裸露于保护层31外。钝化层32设置在保护层31的远离衬底基板1的一侧，且钝化层32将裸露于保护层31的部分源极24和裸露于保护层31的部分漏极25覆盖，并覆盖栅绝缘层22，在钝化层32上设置有第一过孔81，第一过孔81使源极24裸露。缓冲层33设置在钝化层32的远离衬底基板1的一侧，在缓冲层33上设置有第二过孔82，第二过孔82与第一过孔81连通，使源极24裸露。第二过孔82与第一过孔81连通形成过孔。当然，绝缘层组3也可以仅包括一层绝缘层，绝缘层组3还可以包括平坦化层、阻挡层等等，可以根据需要设置绝缘层组3的层数和材质。另外，也可以通过过孔使漏极25裸露，即将过孔设置在漏极25之上的绝缘层组3上。

在本示例实施方式中，在缓冲层33的远离衬底基板1的一侧设置有电极层，电极层可以包括多个第一电极41和多个第二电极42，第一电极41和第二电极42的宽度大约为10微米。第一电极41和第二电极42之间设置有间隔空间，间隔空间的宽度大于等于10微米且小于等于15微米；而且第一电极41和第二电极42可以是间隔设置的，即相邻两个第一电极41之间设置有一个第二电极42，相邻两个第二电极42之间设置有一个第一电极41。多个第一电极41与多个第二电极42之间可以平行设置，多个第一电极41之间是相互连接的，多个第二电极42之间也是相互连接的。多个第一电极41的连接端与多个第二电极42的连接端是相对设置的，避免第一电极41与第二电极42之间交叉。其中一个第一电极41通过过孔连接于薄膜晶体管2的源极24。当然，在漏极25裸露的情况下，第一电极41可以通过过孔连接于薄膜晶体管2的漏极25。

一个压力传感器可以包括多个压力传感单元，一个压力传感单元可以包括一个薄膜晶体管、多个第一电极41和多个第二电极42，一般3-4对第一电极41和第二电极42形成一个压力传感单元。

当然，上述的第一电极41和第二电极42的宽度，第一电极41与第二电极42之间的间隔空间的宽度，还有一个压力传感单元包括的第一电极41和第二电极42的对数，都是可以根据需要设定的。

在本示例实施方式中，压力传感器还可以包括遮光层43，遮光层43设置在缓冲层33的远离衬底基板1的一侧，薄膜晶体管2的沟道在衬底基板1上的正投影在遮光层43在衬底基板1上的正投影内，使遮光层43能够遮挡光线，避免光线照射至薄膜晶体管2的沟道。遮光层43与电极层同层同材料设置。

上述结构具体的制备过程为：在衬底基板1上形成栅极材料层，对栅极材料层进行一次构图工艺即可形成栅极21和接地电极6，栅极21与接地电极6之间设置有间隔空间。在裸露的衬底基板1、栅极21和接地电极6的远离衬底基板1的一侧形成栅绝缘层22。在栅绝缘层22的远离衬底基板1的一侧形成有源材料层，对有源材料层进行图案化处理形成有源层23。在有源层23的远离衬底基板1的一侧形成源漏材料层，对源漏材料层进行图案化处理形成源极24和漏极25。在源极24和漏极25的远离衬底基板1的一侧形成保护层31。在保护层31的远离衬底基板1的一侧形成钝化层32，在钝化层32的远离衬底基板1的一侧形成缓冲层33，对钝化层32和缓冲层33进行图案化处理对应形成第一过孔81和第二过孔82。在缓冲层33的远离衬底基板1的一侧形成电极材料层，对电极材料层进行一次构图工艺即可形成多个第一电极41、多个第二电极42以及遮光层43。

在本示例实施方式中，弹性导体层5设于电极层的远离衬底基板1的一侧，弹性导体层5可以包括弹性绝缘膜和导体膜，导体膜设于弹性绝缘膜的靠近电极层的一侧，即弹性导体层5的导体膜与电极层接触。

弹性绝缘膜的材质是聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷，导体膜的材质是掺杂银纳米离子、银纳米线或碳纳米管的3,4-乙烯二氧噻吩单体与苯乙烯磺酸混合物；即导体膜的材质可以是Ag@PEDOT：PSS(英文名：Ag-Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfo)，中文名：银纳米粒子-聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))。银纳米离子、银纳米线或碳纳米管的导电率大于10⁵s·cm^-1；3,4-乙烯二氧噻吩单体与苯乙烯磺酸混合物的导电率大于100s·cm^-1。在本发明的其他示例实施方式中，导体膜的掺杂还可以是单方向导电材料，其导电率＞10⁵s·cm^-1即可。

在本示例实施方式中，弹性绝缘膜(PDMS薄膜或PET薄膜)上设置有多个弹性凸起。此处的弹性凸起是部分弹性绝缘膜向一侧凹陷形成的，即一个凸起的相对侧必然会有一个凹陷部，使弹性凸起是空心的，而不是实心的突起。一部分弹性凸起向靠近衬底基板1一侧突出，另一部分弹性凸起向远离衬底基板1一侧突出，即弹性导体层5的相对两侧均设置有多个弹性凸起。弹性绝缘膜仿生人体皮肤表皮组织结构，压力感知层的微结构与人体表皮结构相似，具有很好的仿生性，且增加压力响应度范围。在弹性导体层5的与电极层接触的一面设置有导电层。

弹性导体层5的制作过程如下：参照图2所示，首先，可以通过纳米压印技术制作仿生凸出模板7，在仿生凸出模板7上设置有多个高度不同的柱状突出71，柱状突出71的顶端设置为圆弧面。柱状突出71基本均匀排布，可以阵列排布，也可以非阵列排布。参照图3所示，在仿生凸出模板7上覆盖PDMS薄膜51，使PDMS薄膜51的第一面上被仿生凸出模板7上的柱状突出71压出多个第一凸起52。参照图4所示，将PDMS薄膜51从仿生凸出模板7揭下来。照图5所示，将PDMS薄膜51反过来覆盖在仿生凸出模板7上，即使PDMS薄膜51的第一面与仿生凸出模板7接触，使PDMS薄膜51的第二面上被仿生凸出模板7上的柱状突出71压出多个第二凸起53。参照图6所示，将PDMS薄膜51再次从仿生凸出模板7揭下来。参照图7所示，在PDMS薄膜51的第一面多次涂覆Ag@PEDOT：PSS54，即完成弹性导体层5的制作。另外，在本发明的其他示例实施方式中，也可以采用PET薄膜。该制备方法简单、高效、易大面积制备薄膜、成本低。

请继续参照图1所示，弹性导体层5的涂覆有Ag@PEDOT：PSS54的一面与电极层接触，PDMS薄膜51位于远离衬底基板1的一侧。PDMS薄膜51是绝缘材料即使有导体接触也不会对弹性导体层5的电阻产生影响，从而不会影响压力测试的准确性。

具体的工作过程：可以在第二电极接入设定电压，设定电压保持恒定不变；在栅极也接入预设电压，使薄膜晶体管开启。当施加压力较小时，电极层上部的Ag@PEDOT：PSS54首先被压缩，电极层上部的Ag@PEDOT：PSS54被压缩使其内部的银纳米粒子接触，从而使电阻减小，通过第一电极41和第二电极42之间的电流增加，得到相应信号。当继续增加压力时，电极上部的Ag@PEDOT：PSS54被压缩量增大使其内部的银纳米粒子接触较紧密，从而使电阻继续减小，第一电极41和第二电极42之间的Ag@PEDOT：PSS54逐步压入这两个电极中间，形成通路(使电阻比前一步减小)，得到增大的电流信号。继续增加压力，Ag@PEDOT：PSS54继续被挤压，直至压缩到极限，Ag@PEDOT：PSS54体积变小，使其内部的银纳米粒子接触更为紧密，从而使电阻继续减小，逐步得到增大的电流信号。弹性导体层5的电阻随施加在其上的压力的增大而减小，通过第一电极41和第二电极42之间的电流随着电阻的减小而增大，即通过第一电极41和第二电极42之间的电流随着施加在弹性导体层5上的压力的增大而增大。压力值越大对应的电流值越大，不同的压力值对应不同的电流值。

本发明的压力传感器，在薄膜晶体管之上设置有电极层，电极层包括第一电极41和第二电极42，第一电极41和第二电极42之间设置有间隔空间，第一电极41通过过孔连接于薄膜晶体管的源极24或漏极25，通过薄膜晶体管可以控制该压力传感器的开关，使该压力传感器的响应度高一般小于20ms；在电极层之上设置有弹性导体层5，弹性导体层5的电阻能够随施加在其上的压力的变化而变化，使通过第一电极41和第二电极42之间的电流发生变化，测量电流值即可对应得到压力值。该压力传感器灵敏度较高；一般大于50kPa^-1；而且具有超低的检测限，该检测限大约为1Pa；弹性导体层5具有很好的回弹性，可靠性高一般400次循环压缩响应稳定。

进一步的，本示例实施方式还提供了一种电子装置，电子装置可以包括上述任意一项所述的压力传感器，压力传感器可以用于感测压力或识别指纹。压力传感器的具体结构上述已经进行了详细说明，因此，此处不再赘述。

该电子装置可以是机器人、医疗诊断装置、可穿戴电子设备、人工器官、人机交互设备、智能蒙皮等等。

需要说明的是，该电子装置除了压力传感器以外，还可以包括其他必要的部件和组成，以人机交互设备为例，具体例如外壳、电路板、电源线、显示屏等等，本领域技术人员可根据该电子装置的具体使用要求进行相应地补充，在此不再赘述。

与现有技术相比，本发明实施例提供的电子装置的有益效果与上述实施例提供的压力传感器的有益效果相同，在此不做赘述。

上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

本说明书中使用“约”“大约”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内。在此给定的数量为大约的数量，意即在没有特定说明的情况下，仍可隐含“约”“大约”“大致”“大概”的含义。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (7)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：

衬底基板；

薄膜晶体管，设于所述衬底基板之上；

绝缘层组，设于所述薄膜晶体管的远离所述衬底基板的一侧，所述绝缘层组上设置有过孔；

电极层，设于所述绝缘层组的远离所述衬底基板的一侧，所述电极层包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间设置有间隔空间，所述第一电极通过所述过孔连接于所述薄膜晶体管的源极或漏极；

弹性导体层，设于所述电极层的远离所述衬底基板的一侧，所述弹性导体层的电阻能够随施加在其上的压力的变化而变化，使通过第一电极和第二电极之间的电流发生变化；

所述弹性导体层包括：

弹性绝缘膜；

导体膜，设于所述弹性绝缘膜的靠近所述电极层的一侧；

所述弹性绝缘膜上设置有多个弹性凸起；一部分所述弹性凸起向靠近所述衬底基板一侧突出，另一部分所述弹性凸起向远离所述衬底基板一侧突出，所述弹性凸起是空心的，所述弹性凸起为纳米级。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述弹性绝缘膜的材质是聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷，所述导体膜的材质是掺杂银纳米离子、银纳米线或碳纳米管的3,4-乙烯二氧噻吩单体与苯乙烯磺酸混合物；所述银纳米离子、所述银纳米线或所述碳纳米管的导电率大于10⁵ s·cm^-1；所述3,4-乙烯二氧噻吩单体与苯乙烯磺酸混合物的导电率大于100 s·cm^-1。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器还包括：

遮光层，与所述电极层同层同材料设置，所述薄膜晶体管的沟道在所述衬底基板上的正投影在所述遮光层在所述衬底基板上的正投影内。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述薄膜晶体管包括：

栅极，设于所述衬底基板之上；

栅绝缘层，设于所述栅极的远离所述衬底基板的一侧；

有源层，设于所述栅绝缘层的远离所述衬底基板的一侧；

源漏极，设于所述有源层的远离所述衬底基板的一侧。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器还包括：

接地电极，设于所述衬底基板与所述栅绝缘层之间，与所述栅极同层同材料设置。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述衬底基板是柔性基板。

7.一种电子装置，其特征在于，包括：

权利要求1~6任意一项所述的压力传感器，所述压力传感器用于感测压力或识别指纹。

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