一種柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著智能可穿戴產(chǎn)品的迅速發(fā)展，柔性傳感器逐漸成為研宄人員探索的熱點課題之一。其中，柔性應(yīng)變或壓力傳感器尤其受到越來越多的關(guān)注，其可潛在應(yīng)用于構(gòu)建人造電子皮膚，在未來健康醫(yī)療領(lǐng)域具有非常廣闊的市場前景。此外，柔性壓力傳感器還是柔性觸屏顯示以及智能機器人應(yīng)用中的核心元器件，這些都表明了柔性應(yīng)變或壓力傳感器的潛在應(yīng)用價值。
[0003]目前，對于柔性應(yīng)變或壓力傳感器的研宄可基于多種工作原理，包括電容式、壓阻式、壓電式等。其中，基于柔性壓電薄膜材料(如聚偏氟乙烯及其共聚物)的壓電式傳感器，由于其對動態(tài)變化的應(yīng)變或壓力具有較高的靈敏度和響應(yīng)時間而被廣泛研宄。
[0004]現(xiàn)在市場上已有一些基于聚偏氟乙烯(PVDF)的柔性應(yīng)變或壓力傳感器原型產(chǎn)品面世，但是，這些原型產(chǎn)品基本都是基于平板電容結(jié)構(gòu)的無源器件，從而很難實現(xiàn)大面積和規(guī)?；膽?yīng)用。
[0005]與此同時，對于柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器的研宄目前仍在探索之中，較多的研宄結(jié)果報道了利用柔性有機晶體管實現(xiàn)傳感器的有源輸出和控制。但是，有機晶體管受限于有機半導體材料較低的載流子迀移率，很難得到高性能的器件特性，從而極大地制約了應(yīng)變或壓力傳感器的靈敏度。
[0006]因此，目前研宄人員仍然在積極探索合適的柔性晶體管結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)柔性應(yīng)變或壓力傳感器的有源輸出和控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，通過利用半導體性單壁碳納米管晶體管作為柔性有源場效應(yīng)晶體管，并采用柔性壓電薄膜材料制備壓電式的應(yīng)變或壓力傳感器單元，可在實現(xiàn)對柔性應(yīng)變或壓力傳感器有源控制的同時，保證壓電式傳感器較高的靈敏度。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]一種柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)，包括柔性壓電傳感器單元和形成于有機柔性襯底上的有源場效應(yīng)晶體管，所述場效應(yīng)晶體管的溝道由半導體性單壁碳納米管薄膜、單根半導體性單壁碳納米管或其平行陣列構(gòu)成，所述半導體性單壁碳納米管的二端分別耦合所述場效應(yīng)晶體管的源漏電極，所述場效應(yīng)晶體管具有背柵型或頂柵型柵極；所述壓電傳感器單元由柔性壓電薄膜材料制成，其位于所述場效應(yīng)晶體管的柵極之上，所述壓電傳感器單元通過其底端電極與所述柵極形成電學接觸、通過其頂端電極與所述源極相連，并共同連接接地信號，所述漏極連接電源電壓。
[0010]優(yōu)選地，所述柔性襯底材料包括聚酰亞胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚對二甲苯。
[0011]優(yōu)選地，所述柔性壓電薄膜材料包括聚偏二氟乙烯或偏二氟乙烯的鐵電共聚物。
[0012]一種柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)的制備方法，包括:在柔性襯底上制備由半導體性單壁碳納米管構(gòu)成溝道材料的場效應(yīng)晶體管，并制備所述場效應(yīng)晶體管源極、漏極和柵極的引出電極；在形成的所述場效應(yīng)晶體管的柵極引出電極上制備作為壓電傳感器單元的柔性壓電薄膜材料，以及在所述柔性壓電薄膜的上、下表面制備其頂端、底端引出電極。
[0013]優(yōu)選地，所述場效應(yīng)晶體管的制備方法包括:在柔性襯底上制備背柵和沉積柵介質(zhì)，然后，在所述柵介質(zhì)上淀積半導體性單壁碳納米管薄膜或從其他襯底上轉(zhuǎn)移已生長形成的單根半導體性單壁碳納米管或其平行陣列作為溝道材料，最后，在所述半導體性單壁碳納米管二端上制備源極和漏極以及源極、漏極和柵極的引出電極。
[0014]優(yōu)選地，所述場效應(yīng)晶體管的制備方法包括:在柔性襯底上淀積半導體性單壁碳納米管薄膜或從其他襯底上轉(zhuǎn)移已生長形成的單根半導體性單壁碳納米管或其平行陣列作為溝道材料，然后，在所述半導體性單壁碳納米管二端上制備源極和漏極，最后，沉積柵介質(zhì)和制備頂柵以及源極、漏極和柵極的引出電極。
[0015]優(yōu)選地，所述柔性壓電薄膜的制備方法包括:利用半導體封裝工藝，將固態(tài)壓電薄膜材料通過導電銀膠粘貼在所述場效應(yīng)晶體管柵極的引出電極表面，然后，加熱燒結(jié)導電銀膠，使所述壓電薄膜的下表面與所述柵極形成電學接觸。
[0016]優(yōu)選地，所述柔性壓電薄膜的制備方法包括:利用干膜光敏膠或感光油墨和傳統(tǒng)光刻工藝，先在所述場效應(yīng)晶體管柵極的引出電極表面形成光刻圖形，然后，旋涂液態(tài)壓電薄膜材料并將超出干膜光敏膠或感光油墨厚度的液態(tài)壓電薄膜材料刮去，并加熱固化液態(tài)壓電薄膜材料，最后，再利用堿性去膠液去除干膜光敏膠或感光油墨，形成圖形化的柔性壓電薄膜。
[0017]優(yōu)選地，所述柔性壓電薄膜頂端引出電極的制備方法包括:首先，制備蒸鍍掩膜版，在需要蒸鍍金屬引出電極的區(qū)域形成鏤空圖形，然后，利用蒸鍍掩膜版和物理沉積工藝，在柔性壓電薄膜的上表面制備金屬引出電極；所述物理沉積工藝包括電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或濺射。
[0018]優(yōu)選地，所述柔性襯底材料包括聚酰亞胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚對二甲苯；所述柔性壓電薄膜材料包括聚偏二氟乙烯或偏二氟乙烯的鐵電共聚物。
[0019]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過利用碳納米管晶體管作為柔性有源場效應(yīng)晶體管，采用柔性壓電薄膜材料制備壓電式的應(yīng)變或壓力傳感器單元，并將壓電傳感器與有源場效應(yīng)晶體管的柵極進行工藝集成，從而將壓電傳感信號通過碳納米管場效應(yīng)晶體管進行信號放大和輸出。半導體性的單壁碳納米管由于其具有非常高的載流子迀移率，其所制備的柔性場效應(yīng)晶體管可表現(xiàn)出比有機晶體管更為優(yōu)異的器件特性，在實現(xiàn)對柔性應(yīng)變或壓力傳感器有源控制的同時，也保證了壓電式傳感器較高的靈敏度。此外，本發(fā)明所提出的柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)及其制備方法也為該傳感器的大面積和規(guī)模化應(yīng)用提供了非常便捷的實現(xiàn)方法。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明一優(yōu)選實施例的一種柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明一優(yōu)選實施例的一種柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)的電路原理圖；
[0022]圖3?圖5是本發(fā)明一優(yōu)選實施例的一種柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)的制備方法對應(yīng)的工藝示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0024]需要說明的是，在下述的【具體實施方式】中，在詳述本發(fā)明的實施方式時，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進行了局部放大、變形、透明及簡化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對本發(fā)明的限定來加以理解。
[0025]在以下本發(fā)明的【具體實施方式】中，先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明一優(yōu)選實施例的一種柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)，包括形成于有機柔性襯底I上的基于半導體性單壁碳納米管4的有源場效應(yīng)晶體管，以及基于柔性壓電薄膜材料的柔性壓電傳感器單元8。
[0026]請繼續(xù)參閱圖1。所述場效應(yīng)晶體管的溝道材料采用半導體性單壁碳納米管4構(gòu)成。所述半導體性單壁碳納米管4可以由半導體性單壁碳納米管薄膜、單根半導體性單壁碳納米管或其平行陣列構(gòu)成。所述半導體性單壁碳納米管4的二端分別耦合所述場效應(yīng)晶體管的源漏電極5和3，用于實現(xiàn)應(yīng)變或壓力傳感信號的讀取控制。
[0027]請繼續(xù)參閱圖1。所述壓電傳感器單元8由柔性壓電薄膜材料制成，其位于所述場效應(yīng)晶體管的柵極7之上。所述壓電傳感器單元8通過其底端電極(圖中未顯示)與所述場效應(yīng)晶體管的柵極7形成電學接觸，具體可以是通過其底端電極的下表面與所述柵極7的引出電極6上表面相接觸，來與所述場效應(yīng)晶體管的柵極7形成電學接觸。所述壓電傳感器單元8還通過其頂端電極9與所述源極5相連，并共同連接接地信號(圖略)。所述場效應(yīng)晶體管的漏極3連接電源電壓(圖略)。
[0028]在上述本發(fā)明的柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)中，所述場效應(yīng)晶體管既可采用圖1所示的背柵型柵極結(jié)構(gòu)，也可采用頂柵型柵極結(jié)構(gòu)。
[0029]請繼續(xù)參閱圖1 ο在本發(fā)明的一具體實施例中，所述場效應(yīng)晶體管采用了背柵型柵極7結(jié)構(gòu)。作為一可選實施例，所述柔性襯底I可采用聚酰亞胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚對二甲苯材料制成。作為一實例，所述柔性襯底I可采用聚酰亞胺材料制成。在本實施例中，上述基于半導體性單壁碳納米管的場效應(yīng)晶體管的溝道材料采用碳納米管平行陣列4進行制備。碳納米管平行陣列4位于背柵7上，在背柵7表面和碳納米管4之間覆蓋有柵介質(zhì)層2，柵介質(zhì)層2用于隔離背柵7與碳納米管4、源極和漏極5和3，避免其接觸發(fā)生漏電。所述碳納米管平行陣列4的二端上部分別耦合至所述場效應(yīng)晶體管的源漏電極5、3。
[0030]當然，在其它實施例中，基于半導體性單壁碳納米管的場效應(yīng)晶體管亦可采用頂柵結(jié)構(gòu)，其頂柵結(jié)構(gòu)可以采用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明對此不再贅述。
[0031]作為一可選實施例，所述壓電傳感器單元8可采用聚偏二氟乙烯(PVDF)或偏二氟乙烯的鐵電共聚物(PVDF-TrFE)柔性壓電薄膜材料制成。
[0032]請接著參閱圖2，圖2是本發(fā)明一優(yōu)選實施例的一種柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)的電路原理圖。其顯示了本發(fā)明柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器器件的等效電路結(jié)構(gòu)以及測試原理。如圖2所示，基于壓電薄膜Piezo Film的壓電傳感器單元的兩端分別連接碳納米管場效應(yīng)晶體管CNT-FET的柵極和源極。該傳感器在工作時，在碳納米管場效應(yīng)晶體管的漏極施加電源電壓VDD，并將源極與壓電薄膜連接端共同接地GND。當壓電傳感器單元在受到外加應(yīng)變或壓力信號時，在壓電薄膜上下表面的兩個電極上將會產(chǎn)生電荷