CN113241400A - 压电传感装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种压电传感装置及其制备方法。该压电传感装置包括层叠设置的衬底组件、压电材料组件和第一电极层。衬底组件包括层叠设置的衬底层和第二电极层，第二电极层与第一电极层相向设置。压电材料组件包括阵列排布的多个压电材料单元，压电材料单元的第一端与第二电极层抵接；第一电极层与压电材料单元的第二端抵接。第一电极层与第二电极层之间设置有包裹层，包裹层将多个压电材料单元包裹在内。本申请的压电传感装置，当有外部应力施加时，能够向外输出一个与外部应力大小、方向相匹配的电信号，能够表征外部应力的大小、方向和时序等特征，进而能够实现与用户本人输入习惯的特异性匹配，能够应用于智能识别、信息安全等领域。

Description

压电传感装置及其制备方法

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种压电传感装置及其制备方法。

背景技术

信息时代下，维护个人、单位隐私和信息安全的问题尤为突出，发展新型智能检测和密码保护的技术显得尤为重要。现有的密码输入主要采用的是基于电阻式和电容式的触觉传感技术，主要存在两个问题：

一方面，电阻式传感器技术所采集的压阻信号，电容式传感器技术所采集的电容信号，只有开关或者强弱的区分，信号本身无极性，难以进行信号处理和收集时的特征化区分，所以电阻式传感器和电容式传感器均不具备特征化信息采集能力；

另一方面，产生电信号的大小与触觉输入的关系往往为间接相关且非线性关系，难以表征，因而难以带入算法以完成与用户本人信息的特异性匹配。

发明内容

本申请实施例提供一种压电传感装置及其制备方法，以解决触觉传感器件无法进行信号的特征化区分的问题。

一方面，本申请实施例提出了一种压电传感装置，包括层叠设置的衬底组件、压电材料组件和第一电极层。所述衬底组件包括层叠设置的衬底层和第二电极层，所述第二电极层与所述第一电极层相向设置；所述压电材料组件包括阵列排布的多个压电材料单元，所述压电材料单元的第一端与所述第二电极层抵接；所述第一电极层与所述压电材料单元的第二端抵接。所述第一电极层与所述第二电极层之间设置有包裹层，所述包裹层将多个所述压电材料单元包裹在内。

根据本申请实施例的一个方面，所述装置还包括控制层，所述控制层设置在所述第二电极层的面向所述第一电极层的一面。所述控制层为多个，多个所述控制层与多个所述压电材料单元交错排布。

根据本申请实施例的一个方面，所述压电材料单元与其两侧的所述控制层抵接。

根据本申请实施例的一个方面，所述衬底组件还包括种子层，所述种子层设置在所述第二电极层的面向所述第一电极层的一面，所述衬底层设置在所述第二电极层的另一面。

根据本申请实施例的一个方面，所述压电材料单元垂直于所述第一电极层和所述第二电极层设置。

根据本申请实施例的一个方面，所述压电材料单元为纳米线结构；所述压电材料单元为半导体材料；和/或，所述第一电极层的材料为能够与所述压电材料单元形成欧姆接触的金属；和/或，所述第二电极层的材料为能够与所述压电材料单元形成肖特基接触的金属。

根据本申请实施例的一个方面，所述衬底层为刚性结构或者可拉伸柔性材料。

根据本申请实施例的一个方面，所述装置还包括信号收集装置，所述信号收集装置与所述第一电极层和所述第二电极层电性连接。所述装置还包括信号汇总处理装置，所述信号汇总处理装置与所述信号收集装置电性连接。

根据本申请实施例的一个方面，所述装置还包括外部供给电源装置，所述外部供给电源装置与所述第一电极层和所述第二电极层电性连接。

另一方面，本申请实施例提出了一种压电传感装置制备方法，包括：

采用磁控溅射或金属沉积方法在衬底层上成型第二电极层；

采用磁控溅射方法在所述第二电极层上成型阵列排布的多个控制层；

采用高温气相沉积方法在所述第二电极层上的所述控制层之间的区域成型压电材料单元；

在所述控制层上成型包裹层，使所述包裹层将全部所述压电材料单元包裹在内；

由所述包裹层的顶部去除部分所述包裹层，使所述压电材料单元露出于所述包裹层的顶部；

采用磁控溅射或金属沉积方法在所述包裹层的顶部成型第一电极层。

根据本申请实施例的一个方面，所述制备方法还包括：

在成型所述控制层之前，采用磁控溅射方法在所述第二电极层上成型与所述压电材料单元同材料属性的种子层，在所述种子层上成型所述控制层。

根据本申请实施例的一个方面，所述制备方法还包括：

在成型所述控制层之前，在所述种子层上成型光刻胶层；

采用光刻图案化方法去除部分区域的所述光刻胶层，使得所述种子层露出；

在露出的所述种子层上成型所述控制层。

根据本申请实施例的一个方面，所述制备方法还包括：

将剩余的所述光刻胶层全部去除，在所述种子层上的所述控制层之间的区域成型所述压电材料单元。

本申请实施例提供的压电传感装置，利用压电材料组件的压电特性和压电电子学效应，当有外部应力施加时，能够向外输出一个与外部应力大小、方向相匹配的电信号，能够表征外部应力的大小、方向和时序等特征，具备特征化信息采集能力，解决了现有的触觉传感器件无法进行信号的特征化区分的问题，进而能够实现与用户本人输入习惯的特异性匹配，在智能识别、信息安全和人机交互等领域中具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例的压电传感装置的剖视结构示意图；

图2为本申请实施例的压电传感装置中的衬底组件的剖视结构示意图；

图3-图8为本申请实施例的压电传感装置的工作原理示意图；

图9、图10为本申请实施例的压电传感装置的对外部应力的电学响应示意图；

图11、图12为本申请实施例的压电传感装置中的压电材料组件的表面微纳米结构图片；

图13为本申请实施例的压电传感装置具体应用时的一种结构示意图。

附图标记：

10-衬底组件，20-控制层，30-包裹层，40-压电材料单元，50-第一电极层，11-衬底层，12-第二电极层，13-种子层，100-压电传感装置，200-信号收集装置，300-信号汇总处理装置，400-外部供给电源装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本申请的原理，但不能用来限制本申请的范围，即本申请不限于所描述的实施例。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“内”、“外”、“顶部”、“底部”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申请和简化描述，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申请的限制。

请参阅图1及图2，本申请实施例提供一种压电传感装置，可以包括从下到上依次层叠设置的衬底组件10、压电材料组件及第一电极层50。

其中，衬底组件10可以包括衬底层11、第二电极层12以及种子层13。衬底层11可以为具有支撑功能的刚性结构，其轮廓形状可以为圆形、椭圆形、方形等。第二电极层12可以为金属材质。种子层13可以与压电材料组件的材料属性相同，从而适合压电材料组件生长成型。

衬底组件10的上表面可以设置有控制层20，具体实施时，控制层20可以在种子层13上成型，控制层20的设置可限制压电材料组件的成型位置。控制层20的数量可以为多个，多个控制层20可以均匀地阵列排布。

压电材料组件可以包括压电材料单元40，压电材料单元40可以在种子层13的上表面且在相邻的控制层20的间隙中成型，全部的压电材料单元40与种子层13抵接，从而全部的压电材料单元40与第二电极层12抵接。单个压电材料单元40之间相互独立、互不干扰。由于控制层20可以为多个且均匀地阵列排布，从而压电材料单元40也可以为多个，且多个压电材料单元40可以均匀地阵列排布。压电材料单元40可以采用半导体材料。

控制层20的上表面可以设置有包裹层30，包裹层30可以将压电材料单元40之间的空隙全部填补，将全部的压电材料单元40包裹在内，使得压电材料组件的结构保持稳定。

第一电极层50可以设置在包裹层30的顶部，第一电极层50可以为金属材质，第一电极层50与全部的压电材料单元40抵接。具体实施时，第一电极层50与包裹层30在衬底组件10上的正投影交叠，第一电极层50与第二电极层12可以平行设置，压电材料单元40的生长方向与材料极化方向可以相同，压电材料单元40与第一电极层50和第一电极层50可以均形成空间垂直关系。

在具体实施中，压电材料组件可以为具有较大压电系数的半导体材料，如氧化锌或氮化镓。第二电极层12可以为能够与压电材料单元40形成肖特基接触的金属，如镍、金等，从而第二电极层12与压电材料单元40的接触界面为具有整流特性的金属-半导体界面，即第二电极层12与压电材料单元40形成肖特基势垒，也可称为肖特基二极管。第一电极层50可以为与压电材料组件形成欧姆接触的金属，如锂、氧化铟锡玻璃薄膜等。

此外，衬底层11除了可以为刚性结构以外，还可以为具有可拉伸功能的柔性材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯等，以适应复杂环境应用；还可以为具有高透明度的玻璃衬底等，以便于与其他显示模块及成像应用相结合。包裹层30可以为聚甲基丙烯酸甲酯等。

进一步说明，上述的肖特基接触是指半导体材料与金属电极形成的异质结在电流-电压测试下显示整流特性，例如，n型半导体与功函数大的金属，如镍、金等，接触时易形成肖特基接触。电学欧姆接触是指半导体材料与金属电极形成的异质结在电流-电压测试下不显示整流特性，例如，n型半导体与功函数小的金属，如锂、氧化铟锡等，接触时易形成电学欧姆接触。

本实施例的压电传感装置，在外部应力作用下，基于压电电子学效应，压电材料单元40发生压电极化，压电材料单元40与第一电极层50和第二电极层12的接触界面处都产生压电极化电荷，通过产生的压电极化电荷，形成在整个压电材料组件区域内的压电极化电场。压电极化电场改变压电材料单元40与第二电极层12界面处的肖特基势垒高度，能够由第一电极层50向外部电路输出一个与应力大小和方向相匹配的电信号，且所有压电材料单元40与第二电极层12产生的电信号能够进行累加。总结来说，外部应力的刺激能够改变压电材料组件与第二电极层12的肖特基势垒高度，进而调控载流子的输运过程，从而引起整个装置向外部输出电流的改变。由于产生的电信号与外部应力的施加方式相关，本实施例的压电传感装置可以用于识别用户输入密码的方式，进一步可以通过算法特征化用户本人的输入习惯，从而增加密码识别的特征性，提升密码输入过程中的信息安全性。

与传统电容式或电阻式传感器不同，本申请的压电传感装置利用压电电势在金属-半导体界面的整流作用作为电学信号调控源，由于压电电势的极性及大小与外部应力动态相关，本实施例的压电传感装置能够实现二维平面内压力分布的自驱动、主动式传感，且其电流输出可以精准对应外部应力的大小、方向和时序等特征，同时压电材料本身的压电系数决定了输出信号的强弱和应力大小呈线性相关性，因而输出信号特征性明显。基于本实施例的压电传感装置的阵列器件，在智能识别、人机交互和信息安全等领域中具有应用前景，还可应用于自驱动发电、光电探测和触觉成像等领域。此外，本实施例的压电传感装置体积较小、结构精细，在微观尺度上具有较高的灵敏度和空间分辨率，并且产生信号的方式简单直接，信号极性和强度易于调节。

需要说明的是，本实施例的压电传感装置还包括电极引出导线，例如，可以由第一电极层50引出的导线L1，由第二电极层12引出的导线L2，并且可以在L1和L2之间接入外部供给电源装置400，提供一个驱动电压，使得压电传感装置能够保持在较佳的工作状态，当有外部应力作用于压电传感装置时，压电传感装置响应外部应力变化的信号灵敏度更高，准确度也更高。此外，还可以由第一电极层50引出的导线L3，由第二电极层12引出的导线L4，可以在L3和L4之间接入负载回路。

本实施例的压电传感装置的工作过程可参考如下：当无外部应力刺激时，外部供给电源装置400的接入使得压电传感装置在通过导线L3和L4连接的负载回路中产生一电流响应，如图3、图4和图9所示。当压电传感装置受到外部一压应力刺激时，由压电材料组件本身的压电效应导致压电极化及相应极化电荷的出现，即在压电材料组件与第一电极层50接触的界面处产生负压电极化电荷，在压电材料组件与第二电极层12接触的界面处产生正压电极化电荷，并且正、负压电极化电荷的数量相等，如图5所示。由于压电材料组件与第一电极层50形成良好的欧姆接触，此部分负压电极化电荷并不会对压电传感装置的电学输运特性产生影响；但压电材料组件与第二电极层12形成的是电学肖特基接触，因此正压电极化电荷在界面处的积累会降低电子传输过程中的肖特基势垒高度，从而导致压电材料组件中载流子在界面处的收集和发射效率变高，进而使得通过导线L3和L4回路中的电流变大，如图6和图9所示；并且这种电流受外部应力所增强的效应会随着外部应力的增大而愈发明显，即更大的压应力可以更显著降低压电材料组件与第二电极层12界面处的肖特基势垒高度，进而进一步提高压电传感装置的输出电流，如图7、图8和图9所示。

需要说明的是，由于本实施例的压电传感装置在实际应用时大多受到压力刺激，故本实施例中测试的应力部分的响应信号均为压应变下的数据，但是，实施例的压电传感装置在受拉应变时同样可以产生压电信号，区别是产生的效果与压应变恰好相反，本申请对此不作赘述。

此外，本实施例的压电传感装置可以脱离外部供给电源装置400而独立工作，如图10所示，在不加外部偏压的情况下，外部施加的压应力刺激同样可以激发器件对外部输出电流的产生，并且越大的压应力会导致更强的输出电流脉冲，即本压电传感装置在探测信号和发射信号时都可以不需要外接电源，启示了本实施例的压电传感装置可作为自驱动传感系统而存在。

并且，在一些实施例中，压电材料组件可以为纳米线结构，如图11、图12所示，可以提高压电传感装置受力的均匀性，及对外部应力响应的敏感度。同时，纳米线结构具有更大的比表面积，可以提高压电传感装置在受应力极化时产生压电电荷的密度和数量。具体实施中，压电材料单元40可以由多个单根纳米线压电材料为基础组成，且每根纳米线压电材料都可充当为一个微型传感器，且微型传感器之间的信号不会发生干扰，而所有微型传感器处于并联关系，使得每一压电材料单元40的信号都是所有微型传感器的叠加，从而提高了传感器对外部应力的响应灵敏度和感测范围。相似地，压电材料组件还可以为量子点结构。

如图13所示，可以在L3和L4之间接入信号收集装置200，对压电传感装置100产生的电流信号进行收集，还可以将信号汇总处理装置300与信号收集装置200电性连接，对信号收集装置200收集的电流信号进行汇总处理。图中需要说明的是，图中M1-M9均示意压电传感装置100；压电传感装置100的一输出端口导线L4做接地处理，在图中并未展示出；另一输出端口由导线L3将产生的电信号输出，图中“output”示意电信号输出，并统一经过导线L10连接到信号收集装置200(图中A1)。各压电传感装置100彼此独立，信号互不干扰，但均由信号收集装置200收集，之后通过导线L20将得到的全部信号交由信号汇总处理装置300(图中D1)汇总并处理，进而可以执行后续程序，例如，智能识别与检测，以及密码保护等程序。

具体应用时，使用者通过施加外力，如按压的方式在本实施例的压电传感装置100上进行信号的输入，本实施例的压电传感装置100输出脉冲式的电信号，并且信号的大小与使用者应力输入的方式紧密相关。结合具体的使用场景，例如，当本实施例的压电传感装置100应用于实体按键，或者应用于显示屏上的虚拟按键时，每个压电传感装置100可以对应一个按键。使用者按压不同的按键进行信号的输入时，如输入密码时，信号收集装置200能够得到具有一定时间间隔且强度不一的电信号脉冲，由于产生信号的形式完全由使用者本身的输入习惯(输入速度、力度等)决定，信号收集装置200对多次输入信号进行收集，并交由信号汇总处理装置300汇总和处理，然后在此基础上给定一个置信区间，即判断范围，从而使得压电传感装置100具有对新输入信号是否是由特定使用者输入的智能检测和识别功能，进而能够实现按照设定者的需要决定是否执行密码保护程序。

此外，上述应用中的每一压电传感装置100均为独立的一个器件，多个压电传感装置100无须在同一衬底上进行制备，使得所具体应用的设备的制备方法得到较大程度简化。而且，使用者可以根据需要来选择设置压电传感装置100的数目，以满足其他复杂场景的应用需求，如电脑键盘输入等。

本申请实施例还提供一种压电传感装置的制备方法，可以包括：

采用磁控溅射或金属沉积法在作为支撑功能的衬底层11上制备第二电极层12，第二电极层12可以为薄膜状；采用磁控溅射法在第二电极层12上制备种子层13，种子层13与压电材料组件的材料属性相同，适合压电材料组件生长成型，由此制备成型衬底组件10，衬底组件10的结构可参考图3。衬底组件10的总厚度可为20μm，其中，第二电极层12的厚度可为50nm，种子层13的厚度可为50nm；

在衬底组件10上悬涂一层光刻胶，形成光刻胶层；

光刻图案化并去除部分光刻胶层，得到种子层13的位置，即露出部分种子层13，种子层13的露出部分成阵列排布；

采用磁控溅射法成型阵列排布的多个控制层20，控制层20的材质可选用二氧化硅，控制层20的厚度可为200nm；

通过剥离工艺将光刻胶层完全去除，从而种子层13上除控制层20以外的位置露出，这些位置作为压电材料组件在种子层13上的形核与生长成型位置；

利用高温气相沉积生长成型压电材料组件，获得高晶体质量的压电材料组件，压电材料组件具体包括阵列排布的多个压电材料单元4040。压电材料单元4040的直径可为2μm，高度可为3.8μm，相邻压电材料单元4040的间隙可为4μm；

悬涂胶水形成包裹层30，将压电材料组件中的空隙填补完全，胶水可采用聚甲基丙烯酸甲酯等，包裹层30的高度可为2.5-3.8μm；

将包裹层30顶部多余的部分刻蚀掉，使压电材料组件的顶部超过周围包裹层30的顶部；

采用磁控溅射或金属沉积法在包裹层30的顶部制备第一电极层50，第一电极层50与压电材料组件形成直接电学接触，第一电极层50的厚度可为300nm。结合上述，第一电极层50和第二电极层12均与压电材料组件形成直接电学接触。

需要说明的是，衬底层11的厚度不会影响压电传感装置的工作性能。控制层20为限制压电材料组件形核与生长位置所设置，控制层20的厚度并无特别要求，可根据压电材料组件的要求高度和成型工艺而适应性制备。种子层13的厚度不宜过厚，以防止压电材料组件与第二电极层12的电学接触不够良好；压电材料组件的生长成型位置，即控制层20在种子层13上的互补区域位置可设置成均匀分布或非均匀分布，不影响光刻图案化时的精度即可。压电材料组件所包括的压电材料单元4040的数量，可依据装置具体使用场景的需要而适应性设计。

本领域内的技术人员应明白，以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种压电传感装置，其特征在于，包括层叠设置的衬底组件、压电材料组件和第一电极层；

所述衬底组件包括层叠设置的衬底层和第二电极层，所述第二电极层与所述第一电极层相向设置；所述压电材料组件包括阵列排布的多个压电材料单元，所述压电材料单元的第一端与所述第二电极层抵接；所述第一电极层与所述压电材料单元的第二端抵接；

所述第一电极层与所述第二电极层之间设置有包裹层，所述包裹层将多个所述压电材料单元包裹在内。

2.根据权利要求1所述的压电传感装置，其特征在于，所述装置还包括控制层，所述控制层设置在所述第二电极层的面向所述第一电极层的一面；

所述控制层为多个，多个所述控制层与多个所述压电材料单元交错排布。

3.根据权利要求2所述的压电传感装置，其特征在于，所述压电材料单元与其两侧的所述控制层抵接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的压电传感装置，其特征在于，所述衬底组件还包括种子层，所述种子层设置在所述第二电极层的面向所述第一电极层的一面，所述衬底层设置在所述第二电极层的另一面。

5.根据权利要求1至4任一项所述的压电传感装置，其特征在于，所述压电材料单元垂直于所述第一电极层和所述第二电极层设置。

6.根据权利要求1至5任一项所述的压电传感装置，其特征在于，所述压电材料单元为纳米线结构；

所述压电材料单元为半导体材料；

和/或，所述第一电极层的材料为能够与所述压电材料单元形成欧姆接触的金属；

和/或，所述第二电极层的材料为能够与所述压电材料单元形成肖特基接触的金属。

7.根据权利要求1至6任一项所述的压电传感装置，其特征在于，所述衬底层为刚性结构或者可拉伸柔性材料。

8.根据权利要求1至7任一项所述的压电传感装置，其特征在于，所述装置还包括信号收集装置，所述信号收集装置与所述第一电极层和所述第二电极层电性连接；

所述装置还包括信号汇总处理装置，所述信号汇总处理装置与所述信号收集装置电性连接。

9.根据权利要求1至8任一项所述的压电传感装置，其特征在于，所述装置还包括外部供给电源装置，所述外部供给电源装置与所述第一电极层和所述第二电极层电性连接。

10.一种压电传感装置制备方法，其特征在于，包括：

采用磁控溅射或金属沉积方法在衬底层上成型第二电极层；

采用磁控溅射方法在所述第二电极层上成型阵列排布的多个控制层；

采用高温气相沉积方法在所述第二电极层上的所述控制层之间的区域成型压电材料单元；

在所述控制层上成型包裹层，使所述包裹层将全部所述压电材料单元包裹在内；

由所述包裹层的顶部去除部分所述包裹层，使所述压电材料单元露出于所述包裹层的顶部；

采用磁控溅射或金属沉积方法在所述包裹层的顶部成型第一电极层。

11.根据权利要求10所述的压电传感装置制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：

在成型所述控制层之前，采用磁控溅射方法在所述第二电极层上成型与所述压电材料单元同材料属性的种子层，在所述种子层上成型所述控制层。

12.根据权利要求11所述的压电传感装置制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：

在成型所述控制层之前，在所述种子层上成型光刻胶层；

采用光刻图案化方法去除部分区域的所述光刻胶层，使得所述种子层露出；

在露出的所述种子层上成型所述控制层。

13.根据权利要求12所述的压电传感装置制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：

将剩余的所述光刻胶层全部去除，在所述种子层上的所述控制层之间的区域成型所述压电材料单元。

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