CN112271247A - 基于薄膜晶体管的压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于薄膜晶体管的压力传感器及其制备方法，该基于薄膜晶体管的压力传感器包括薄膜晶体管；底电极，设置在薄膜晶体管背板凹槽上；种子层，设置在底电极上；氧化锌纳米线层，设置在种子层上；支撑层，设置在氧化锌纳米线层上；以及顶电极，设置在支撑层上。本发明实现了基于a‑IGZO‑TFT(非晶态的铟镓锌氧化物薄膜晶体管)和ZnO NWs(氧化锌纳米线)的压力传感器实现的制作，其工艺比较简单，可以推广到制作多种薄膜晶体管与ZnO NWs的压力传感器。
Description
技术领域
本发明属于薄膜晶体管及传感器领域，具体涉及一种基于薄膜晶体管的压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器(Pressure sensor)是一种通过感应压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成电信号的输出的器件。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。对于压力传感阵列而言，通常是使用薄膜晶体管(TFT)作为选通器件来控制像素单元。目前用于实现压力传感的材料主要为压电材料。其中陶瓷类材料具有非常高的压电系数成为实现压力转化的最佳选择。但是由于这类材料在完成极化时需要高温、高压等严苛的条件，从而限制了其在TFT显示面板等低温制备工艺中的应用；另一类研究比较多的压电材料为聚偏二氟乙烯膜(PVDF)，同样的问题是为了实现相对高的灵敏度及压电系数，在该类材料制备时需要高温和高电场的作用，这也限制了其在TFT中的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于薄膜晶体管的压力传感器及其制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于薄膜晶体管的压力传感器，包括：
薄膜晶体管；
底电极，设置在薄膜晶体管背板凹槽上；
种子层，设置在底电极上；
氧化锌纳米线层，设置在种子层上；
支撑层，设置在氧化锌纳米线层上；以及
顶电极，设置在支撑层上。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种基于薄膜晶体管的压力传感器的制备方法，包括：
在薄膜晶体管的背板上制备底电极；
在底电极上制备种子层；
在种子层上制备纳米孔材料；
在纳米孔材料中制备氧化锌纳米线层；
在氧化锌纳米线层上制作支撑层；以及
在支撑层上制作顶电极。
基于上述技术方案可知，本发明的基于薄膜晶体管的压力传感器及其制备方法相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分：
1、本发明实现了基于a-IGZO-TFT(非晶态的铟镓锌氧化物薄膜晶体管)和ZnO NWs(氧化锌纳米线)的压力传感器实现的制作，其工艺比较简单，可以推广到制作多种薄膜晶体管与ZnO NWs的压力传感器；
2、相对于传统的压电材料而言的，如陶瓷类材料的压力传感器，一般制备温度在1000K以上，而本发明实现了在低温(70-100℃)下制备压力传感器的技术；
3、相对于传统的材料(如聚合物类材料)需要在高的极化电场(600V)才能实现压力传感的特性，而本发明实现了压力传感器在较低电压(3-5V)操作下实现压力传感的特性；
4、本发明由于采用IGZO或者有机半导体材料作为薄膜晶体管，其具有柔性、可弯曲等的特征，因此对于电子皮肤、智能机械手臂以及显示面板中的压力集成提出了一套技术方案；
5、本发明由于直接在薄膜晶体管的背板上制备压力传感器，因此，大大节约了制作成本和减小了制作流程，为大规模的显示和传感器的集成提供了一种简单的实现方案。
附图说明
图1是本发明实施例中基于薄膜晶体管的压力传感器的制备方法流程示意图；
图2是本发明实施例中a-IGZO-TFT背板的制备流程示意图；
图3是本发明实施例中基于薄膜晶体管的ZnO NWs制备流程示意图。
附图标记说明：
101-衬底；1021-第一金属栅极；1022-第二金属栅极；103-介质层；1031-过孔；104-有源层；105-源电极；106-漏电极；107-钝化层；108-凹槽；
201-底电极；202-种子层；203-纳米孔材料；204-氧化锌纳米线层；205-支撑层；206-顶电极。
具体实施方式
以下，将参照附图及实施例对本发明进行详细描述，以辅助本领域技术成员充分地理解本发明的目的、特征和效果。附图中展示了本发明的示例性实施方式，但应当理解，本申请中还能以其他各种形式实现，不应被此处阐述的实施方式所限制。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。另外，本发明以下提供的各个实施例以及实施例中的技术特征可以以任意方式相互组合。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本发明提供了一种基于薄膜晶体管和ZnO NWs压力传感器的结构及制作方法。利用薄膜晶体管作为阵列中像素单元的选通器件，同时结合ZnO NWs作为压力传感单元，在TFT背板上制备ZnO NWs完成对压力的探测。该技术对柔性电子皮肤、高灵敏的机械手臂以及显示面板中压力集成方案的实现具有重要的意义。
在本发明中，使用薄膜晶体管作为像素的选通器件基础上，通过一种新的工艺生长氧化锌纳米线(ZnO NWs)作为压力传感单元，从而实现压力传感技术。
如图1所示，本发明公开了一种基于薄膜晶体管的压力传感器，包括：
薄膜晶体管；
底电极，设置在薄膜晶体管背板凹槽上；
种子层，设置在底电极上；
氧化锌纳米线层，设置在种子层上；
支撑层，设置在氧化锌纳米线层上；以及
顶电极，设置在支撑层上。
在本发明的一些实施例中，所述种子层采用的材料为ZnO，厚度为5至10nm。
在本发明的一些实施例中，所述氧化物纳米线层的厚度为100至200nm。
在本发明的一些实施例中，所述底电极采用的材料包括Mo或Au；厚度为50至200nm；
在本发明的一些实施例中，所述支撑层采用的材料包括SU-8光刻胶；
在本发明的一些实施例中，所述顶电极采用的材料包括Ti/Au；所述顶电极的厚度为100至500nm。
在本发明的一些实施例中，所述的薄膜晶体管包括：
衬底；
金属栅极，包括第一金属栅极和第二金属栅极，设置在衬底上；
介质层，设置在金属栅极上；
有源层，设置在介质层上，且位于第二金属栅极上方；
电极层，设置在金属栅极上方；以及
钝化层，设置在电极层上。
在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括玻璃或者氧化硅，厚度为300至500μm；
在本发明的一些实施例中，所述金属栅极采用的材料包括Mo或者Au，厚度为20至40nm；
在本发明的一些实施例中，所述介质层采用的材料包括氧化硅或者氧化铝，厚度为200至300nm；
在本发明的一些实施例中，所述有源层采用的材料包括IGZO或有机半导体，厚度为20至30nm；
在本发明的一些实施例中，所述电极层采用的材料包括Mo或者Ti/Au等，厚度为50至100nm；
在本发明的一些实施例中，所述钝化层采用的材料包括氧化硅或氧化铝，厚度为200至300nm。
本发明还公开了一种基于薄膜晶体管的压力传感器的制备方法，包括：
在薄膜晶体管的背板上制备底电极；
在底电极上制备种子层；
在种子层上制备纳米孔材料；
在纳米孔材料中制备氧化锌纳米线层；
在氧化锌纳米线层上制作支撑层；以及
在支撑层上制作顶电极。
在本发明的一些实施例中，所述纳米孔材料的孔径为5至10nm；
在本发明的一些实施例中，所述纳米孔材料为Al2O3纳米孔材料、TiO2纳米孔材料、SnO2纳米孔材料、SiO2纳米孔材料中的任一种；
在本发明的一些实施例中，所述纳米孔材料的厚度为100至200nm。
在本发明的一些实施例中，所述薄膜晶体管的制备方法包括：
在衬底上制备金属栅极；
在金属栅极上制备介质层；
在介质层上制备有源层；
在有源层上制备电极层；以及
在电极层上制备钝化层。
在本发明的一些实施例中，制备所述氧化锌纳米线层的温度为70至100℃，例如可以为70℃、80℃、90℃、100℃；
在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括玻璃或者氧化硅，厚度为300至500μm；
在本发明的一些实施例中，所述金属栅极采用的材料包括Mo或者Au，厚度为20至40nm；
在本发明的一些实施例中，所述介质层采用的材料包括氧化硅或者氧化铝，厚度为200至300nm；
在本发明的一些实施例中，所述有源层采用的材料包括IGZO或有机半导体，厚度为20至30nm；
在本发明的一些实施例中，所述电极层采用的材料包括Mo或者Ti/Au等，厚度为50至100nm；
在本发明的一些实施例中，所述钝化层采用的材料包括氧化硅或氧化铝，厚度为200至300nm。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
如图2所示，本实施例提供了一种薄膜晶体管，包括：
绝缘层衬底101；
金属栅极，包括第一金属栅极1021和第二金属栅极1022，设置在绝缘层衬底101上；
介质层103，设置在金属栅极上；
有源层104，设置在介质层103上，位于第二金属栅极的上方；
电极层，包括源电极105和漏电极106，设置在第一金属栅极和第二金属栅极上方；
钝化层107，设置在电极层上；
其中，绝缘层衬底101为玻璃或者氧化硅衬底，厚度为300μm-500μm。
其中，金属栅极为金属Mo或者Au等，厚度为20-40nm。
其中，介质层103为氧化硅或者氧化铝，厚度为200nm-300nm。
其中，有源层104为IGZO(铟镓锌氧化物)，有机半导体等，厚度为20-30nm。
其中，源电极105和漏电极106为Mo或者Ti/Au等，厚度为50nm-100nm。
其中，钝化层107为氧化硅或氧化铝，厚度为200nm-300nm。
如图2所示，上述薄膜晶体管器件的具体制备方法包括：
步骤1：在绝缘层衬底101上通过电子束蒸发生长一定厚度的Mo或者Au等作为金属栅极，如图2中(1)图所示。
步骤2：使用等离子体气相化学沉积(PECVD)或者原子层沉积(ALD)的工艺在步骤1形成的器件上制备栅极介质层103，如图2中(2)图所示。
步骤3：使用磁控溅射生长IGZO作为有源层104，或使用有机气相沉积(OPVD)制作有机半导体作为有源层104，如图2中(3)图所示。在完成a-IGZO的沉积后，通过光刻和湿法刻蚀的工艺对a-IGZO进行图形化处理。
步骤4：对栅介质层103过孔刻蚀形成过孔1031；具体步骤为首先使用刻蚀液将栅极介质层的SiO2移除，然后使用磷酸对Al2O3进行刻蚀形成过孔1031，如图2中(4)图所示。
步骤5：在过孔1031附近和有源层104上使用电子束蒸发生长一定厚度的Mo或者Ti/Au作为源电极105和漏电极106，如图2中(5)图所示。
步骤6：在源电极105和漏电极106上使用PECVD或者ALD沉积一层氧化硅或者氧化铝作为钝化层107，得到a-IGZO-TFT，如图2中(6)图所示。
本实施例还提供了一种基于薄膜晶体管的ZnO NWs传感器的制备方法。如图3所示(为了便于展示，图3仅展示了局部的结构)，其制备过程如下：
步骤1：在完成的a-IGZO-TFT背板的凹槽108上通过磁控溅射生长一层100nm-200nm的Au作为ZnO NWs的底电极201，如图3中(1)图所示。
步骤2：在该底电极201上通过磁控溅射的方法生长一层5nm-10nm的ZnO薄膜作为种子层202，如图3中(2)图所示。
步骤3：在ZnO薄膜种子层上转移一层厚度约为100nm-200nm的Al2O3纳米孔材料203(孔径为5nm-10nm)，如图3中(3)图所示。其中，在本发明的其他实施例中，纳米孔材料可以为Al2O3、TiO2、SnO2或SiO2等纳米孔材料。
步骤4：将样品置于ZnO NWs的生长液中完成在Al2O3、TiO2、SnO2或SiO2等纳米孔材料中在70-100℃下生长ZnO NWs204，如图3中(4)图所示。
步骤5：将生长好的ZnO NWs样品置于氯化铜溶液中浸泡去除Al2O3、TiO2、SnO2或SiO2等纳米孔材料，如图3中(5)图所示。
步骤6：使用SU-8光刻胶作为支撑层205材料，旋涂在生长完毕的ZnO NWs四周，使用240-260摄氏度的温度在空气中烘烤25-50分钟完成SU-8光刻胶的固化，如图3中(6)图所示。
步骤7：使用ICP刻蚀技术，将多余的SU-8光刻胶去除，露出ZnO NWs，如图3中(7)图所示。
步骤8：使用电子束蒸发的方式蒸发一层100nm-500nm的Ti/Au作为ZnO NWs的顶电极206，如图3中(8)图所示。
需要说明的是，尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。
特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。所有这些组合和/或结合均在本发明的保护范围。因此，本发明的范围不仅由所附权利要求来进行确定，还应由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种基于薄膜晶体管的压力传感器，包括：
薄膜晶体管；
底电极，设置在薄膜晶体管背板凹槽上；
种子层，设置在底电极上；
氧化锌纳米线层，设置在种子层上；
支撑层，设置在氧化锌纳米线层上；以及
顶电极，设置在支撑层上。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述种子层采用的材料为ZnO，厚度为5至10nm。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述氧化物纳米线层的厚度为100至200nm。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述底电极采用的材料包括Mo或Au；厚度为50至200nm；
所述支撑层采用的材料包括SU-8光刻胶；
所述顶电极采用的材料包括Ti/Au；所述顶电极的厚度为100至500nm。
5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，
所述的薄膜晶体管包括：
衬底；
金属栅极，包括第一金属栅极和第二金属栅极，设置在衬底上；
介质层，设置在金属栅极上；
有源层，设置在介质层上，且位于第二金属栅极上方；
电极层，设置在金属栅极上方；以及
钝化层，设置在电极层上。
6.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，
所述衬底采用的材料包括玻璃或者氧化硅，厚度为300至500μm；
所述金属栅极采用的材料包括Mo或者Au，厚度为20至40nm；
所述介质层采用的材料包括氧化硅或者氧化铝，厚度为200至300nm；
所述有源层采用的材料包括IGZO或有机半导体，厚度为20至30nm；
所述电极层采用的材料包括Mo或者Ti/Au等，厚度为50至100nm；
所述钝化层采用的材料包括氧化硅或氧化铝，厚度为200至300nm。
7.一种基于薄膜晶体管的压力传感器的制备方法，包括：
在薄膜晶体管的背板上制备底电极；
在底电极上制备种子层；
在种子层上制备纳米孔材料；
在纳米孔材料中制备氧化锌纳米线层；
在氧化锌纳米线层上制作支撑层；以及
在支撑层上制作顶电极。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
制备所述氧化锌纳米线层的温度为70至100℃；
所述纳米孔材料的孔径为5至10nm；
所述纳米孔材料为Al2O3纳米孔材料、TiO2纳米孔材料、SnO2纳米孔材料、SiO2纳米孔材料中的任一种；
所述纳米孔材料的厚度为100至200nm。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
所述薄膜晶体管的制备方法包括：
在衬底上制备金属栅极；
在金属栅极上制备介质层；
在介质层上制备有源层；
在有源层上制备电极层；以及
在电极层上制备钝化层。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，
所述衬底采用的材料包括玻璃或者氧化硅，厚度为300至500μm；
所述金属栅极采用的材料包括Mo或者Au，厚度为20至40nm；
所述介质层采用的材料包括氧化硅或者氧化铝，厚度为200至300nm；
所述有源层采用的材料包括IGZO或有机半导体，厚度为20至30nm；
所述电极层采用的材料包括Mo或者Ti/Au等，厚度为50至100nm；
所述钝化层采用的材料包括氧化硅或氧化铝，厚度为200至300nm。
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| KR20110075400A (ko) * | 2009-12-28 | 2011-07-06 | 삼성전자주식회사 | 나노와이어를 이용한 압력 센서 |
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2020
- 2020-10-26 CN CN202011159656.XA patent/CN112271247A/zh active Pending
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