一種壓電傳感器及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電傳感器及其制作方法，用以實(shí)現(xiàn)全方位的壓力感測(cè)。本發(fā)明提供的壓電傳感器，包括第一電極層、第二電極層和位于第一電極層與第二電極層之間的壓電薄膜層，所述壓電傳感器還包括：用于感測(cè)第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測(cè)第二方向上的壓力的第二功能模塊，所述第一功能模塊和所述第二功能模塊分別與所述第二電極層相連接，其中，所述第一方向和第二方向相互垂直。
【專利說(shuō)明】
一種壓電傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種壓電傳感器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硅電子器件是微電子科技中最重要的一類器件，它對(duì)上個(gè)世紀(jì)的科技發(fā)展起了重要的影響。而碳基電子器件在本世紀(jì)初，已經(jīng)顯示出巨大的技術(shù)潛能，特別是碳納米管，由于其具有良好電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)等性能，集各種物理化學(xué)性能于一體，目前醫(yī)療傳感器、電子皮膚等諸多醫(yī)療及穿戴式器件，都嘗試采用碳納米管進(jìn)行全柔性碳納米管薄膜晶體管(CNT-TFT)的開發(fā)研究。
[0003]壓電傳感器是依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。
[0004]現(xiàn)有的壓電傳感器，均是在硅芯片上完成所有的傳感器元件相關(guān)的薄膜制作。硅芯片在制作壓電薄膜層時(shí)，將采用高溫600 °C?700 °C的Oven退火工藝，其余相關(guān)集成電路也將是采用傳統(tǒng)半導(dǎo)體制程，這樣最終將只能得到剛性壓電傳感器元件，并且，這些壓電傳感器也僅限于單方向上的壓力感測(cè)。
[0005]綜上所述，現(xiàn)有的壓電傳感器僅能實(shí)現(xiàn)單方向的壓力感測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全方位的壓力感測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種壓電傳感器及其制作方法，用以實(shí)現(xiàn)全方位的壓力感測(cè)。
[0007]本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電傳感器，包括第一電極層、第二電極層和位于第一電極層與第二電極層之間的壓電薄膜層，所述壓電傳感器還包括:用于感測(cè)第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測(cè)第二方向上的壓力的第二功能模塊，所述第一功能模塊和所述第二功能模塊分別與所述第二電極層相連接，其中，所述第一方向和第二方向相互垂直。
[0008]本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電傳感器，通過(guò)用于感測(cè)第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測(cè)第二方向上的壓力的第二功能模塊，分別與壓電傳感器中包括的第二電極層相連接，從而，當(dāng)壓電傳感器受到不同方向上的壓力時(shí)，可通過(guò)不同的功能模塊感測(cè)不同方向上壓力的變化，實(shí)現(xiàn)全方位的壓力感測(cè)。
[0009]較佳地，所述第一功能模塊包括第一薄膜晶體管TFT，所述第一TFT的源極連接所述第二電極層的第一電極接觸端，漏極連接第一數(shù)據(jù)線，柵極連接第一柵極線；
[0010]所述第二功能模塊包括第二TFT，所述第二 TFT的源極連接所述第二電極層的第二電極接觸端，漏極連接第二數(shù)據(jù)線，柵極連接第二柵極線;其中，所述第一TFT為P型TFT，所述第二 TFT為N型TFT。
[0011]較佳地，所述第一TFT和所述第二 TFT共用同一層碳納米管薄膜作為導(dǎo)電溝道層。
[0012]通過(guò)同一層碳納米管薄膜作為第一TFT和第二 TFT共用的導(dǎo)電溝道層，在工藝制作上簡(jiǎn)單，并且由于碳納米管具有優(yōu)良的伸縮性、優(yōu)秀的光電熱性、較高的穩(wěn)定性等特征，采用碳納米管薄膜制作的TFT可實(shí)現(xiàn)更好的電學(xué)特性。
[0013]較佳地，形成所述第一TFT的源極和漏極的第一金屬的功函數(shù)，大于形成所述第二TFT的源極和漏極的第二金屬的功函數(shù)。
[0014]由于不同功函數(shù)的金屬與碳納米管薄膜相接觸形成的載流子的勢(shì)皇不同，因此可以實(shí)現(xiàn)不同方向的壓力下壓電傳感器的第二電極層感應(yīng)出的電荷去開啟不同導(dǎo)電類型(即P型和N型)的TFT，進(jìn)而通過(guò)該TFT實(shí)現(xiàn)該方向上的壓力感測(cè)。
[0015]較佳地，所述第一TFT的源極和漏極，以及所述第二 TFT的源極和漏極均與所述碳納米管薄膜相接觸;所述第一金屬的費(fèi)米能級(jí)與所述碳納米管薄膜的價(jià)帶之間的距離，小于所述第一金屬的費(fèi)米能級(jí)與所述碳納米管薄膜的導(dǎo)帶之間的距離;所述第二金屬的費(fèi)米能級(jí)與所述碳納米管薄膜的導(dǎo)帶之間的距離，小于所述第二金屬的費(fèi)米能級(jí)與所述碳納米管薄膜的價(jià)帶之間的距離。
[0016]較佳地，所述第一金屬為鈀Pd，所述第二金屬為鈧Sc。
[0017]較佳地，在形成所述第一TFT的源極和漏極的第一金屬Pd的底部還包括金屬鈦Ti。
[0018]從而，提高了金屬在碳納米管薄膜上的粘附性和浸潤(rùn)性。
[0019]較佳地，所述金屬Ti的厚度范圍為0.2nm?0.8nm。
[0020]較佳地，所述壓電傳感器還包括一絲素蛋白襯底，所述第二電極層、所述第一功能模塊和所述第二功能模塊均位于所述絲素蛋白襯底之上。
[0021]由于絲素蛋白具有良好的生物兼容性和優(yōu)良的力學(xué)性能，可實(shí)現(xiàn)柔性壓電傳感器的制作。
[0022]本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電傳感器的制造方法，包括:
[0023]在襯底上由下至上依次制作第二電極層、壓電薄膜層和第一電極層；以及在所述襯底上制作分別與所述第二電極層相連接的用于感測(cè)第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測(cè)第二方向上的壓力的第二功能模塊，其中，所述第一方向和第二方向相互垂直。
[0024]較佳地，采用電子束熱蒸發(fā)的方法在所述襯底上由下至上依次制作所述第二電極層、壓電薄膜層和第一電極層。
[0025]較佳地，所述第一功能模塊包括第一薄膜晶體管TFT，所述第二功能模塊包括第二TFT；
[0026]在所述襯底上制作分別與所述第二電極層相連接的用于感測(cè)第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測(cè)第二方向上的壓力的第二功能模塊，具體包括:
[0027]在所述襯底上制作所述第一TFT，以及在所述襯底上制作所述第二TFT，將所述第一TFT的源極與所述第二電極層上預(yù)先設(shè)置的第一電極接觸端電連接，將所述第二 TFT的源極與所述第二電極層上預(yù)先設(shè)置的第二電極接觸端電連接;其中，所述第一TFT為P型TFT，所述第二 TFT為N型TFT。
[0028]較佳地，采用同一層碳納米管薄膜作為所述第一TFT和第二 TFT共用的導(dǎo)電溝道層。
[0029]較佳地，采用溶液法制作所述碳納米管薄膜。
[0030]較佳地，采用第一金屬制作所述第一TFT的源極和漏極，采用第二金屬制作所述第二TFT的源極和漏極，其中，所述第一金屬的功函數(shù)大于所述第二金屬的功函數(shù)。
[0031 ]較佳地，所述第一金屬為鈀Pd，所述第二金屬為鈧Sc。
[0032]較佳地，采用電子束熱蒸發(fā)的方法制作所述第一金屬和所述第二金屬。
[0033]較佳地，所述襯底為絲素蛋白襯底，采用溶液法制作所述絲素蛋白襯底。
[0034]較佳地，采用溶液法將所述絲素蛋白襯底制作于固態(tài)的二甲基硅氧烷PDMS之上，在所述制作于所述PDMS之上的絲素蛋白襯底上制作完所述第二電極層、壓電薄膜層、第一電極層、第一功能模塊和第二功能模塊之后，該方法還包括:將所述PMDS剝離。
【附圖說(shuō)明】
[0035]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電傳感器中受到不同方向上的壓力時(shí)其第一電極層和第二電極層中的電荷變化示意圖；
[0037]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電傳感器的材料組成結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電傳感器的元件電路示意圖；
[0039]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電傳感器檢測(cè)壓力感應(yīng)的工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種壓電傳感器及其制作方法，用以實(shí)現(xiàn)全方位的壓力感測(cè)。
[0041]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0042]本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電傳感器，包括第一電極層、第二電極層和位于第一電極層與第二電極層之間的壓電薄膜層，所述壓電傳感器還包括:用于感測(cè)第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測(cè)第二方向上的壓力的第二功能模塊，所述第一功能模塊和所述第二功能模塊分別與所述第二電極層相連接，其中，所述第一方向和第二方向相互垂直。
[0043]所述第一方向，例如可以為垂直方向，所述第二方向，例如可以為水平方向。所述第一電極層，例如可以為上電極層，所述第二電極層，例如可以為下電極層。
[0044]作為一種實(shí)現(xiàn)方式，所述第一功能模塊可以包括第一薄膜晶體管(ThinFilmTransistor，TFT)，所述第一TFT的源極連接所述第二電極層的第一電極接觸端，漏極連接第一數(shù)據(jù)線，柵極連接第一柵極線；
[0045]所述第二功能模塊可以包括第二TFT，所述第二 TFT的源極連接所述第二電極層的第二電極接觸端，漏極連接第二數(shù)據(jù)線，柵極連接第二柵極線；其中，所述第一TFT為P型TFT，所述第二 TFT為N型TFT。
[0046]這樣，當(dāng)壓電傳感器中的壓電薄膜層受到一個(gè)方向上的壓力后，在第一電極層和第二電極層上會(huì)產(chǎn)生正負(fù)相反的電荷，隨著施加的壓力的方向不同，在第二電極層上產(chǎn)生的電荷的正負(fù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)地變化，從而，根據(jù)第二電極層上正負(fù)電荷的變化，可以開啟相應(yīng)的導(dǎo)電類型(P型或N型)的TFT進(jìn)行工作，從而通過(guò)處于工作狀態(tài)的TFT就可以感測(cè)出相應(yīng)方向上的壓力。
[0047]較佳地，所述第一TFT和所述第二 TFT共用同一層碳納米管薄膜作為導(dǎo)電溝道層。
[0048]較佳地，當(dāng)所述第一 TFT為P型TFT，所述第二 TFT為N型TFT時(shí)，形成所述第一 TFT的源極和漏極的第一金屬的功函數(shù)，大于形成所述第二 TFT的源極和漏極的第二金屬的功函數(shù)。
[0049]當(dāng)采用不同功函數(shù)的金屬作為源漏電極時(shí)，不同功函數(shù)的金屬與導(dǎo)電溝道層相接觸形成的載流子的勢(shì)皇不同，例如可以形成電子勢(shì)皇或者空穴勢(shì)皇，電子勢(shì)皇即對(duì)電子的阻擋作用比較大，空穴勢(shì)皇即對(duì)空穴的阻擋作用比較大，因此可以實(shí)現(xiàn)不同方向的壓力下壓電傳感器的第二電極層感應(yīng)出的電荷去開啟不同導(dǎo)電類型(即P型和N型)的TFT，進(jìn)而通過(guò)該TFT實(shí)現(xiàn)該方向上的壓力感測(cè)。
[0050]較佳地，所述第一TFT的源極和漏極，以及所述第二 TFT的源極和漏極均與所述碳納米管薄膜相接觸;所述第一金屬的費(fèi)米能級(jí)與所述碳納米管薄膜的價(jià)帶之間的距離，小于所述第一金屬的費(fèi)米能級(jí)與所述碳納米管薄膜的導(dǎo)帶之間的距離;所述第二金屬的費(fèi)米能級(jí)與所述碳納米管薄膜的導(dǎo)帶之間的距離，小于所述第二金屬的費(fèi)米能級(jí)與所述碳納米管薄膜的價(jià)帶之間的距離。
[0051 ] 例如，第一 TFT為P型TFT，第二 TFT為N型TFT，第一 TFT的源極和漏極均采用金屬鈀(Pd)，Pd的功函數(shù)為5.leV，第二TFT的源極和漏極均采用金屬鈧(Sc)，Sc的功函數(shù)為3.3eV，第一 TFT和第二 TFT共用同一層碳納米管薄膜作為導(dǎo)電溝道層，本征碳納米管的費(fèi)米能級(jí)為
4.5eV。并且，由于金屬Pd的費(fèi)米能級(jí)與碳納米管的價(jià)帶之間的距離，小于金屬Pd的費(fèi)米能級(jí)與碳納米管的導(dǎo)帶之間的距離，也就是金屬Pd的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)靠近碳納米管的價(jià)帶，因此，當(dāng)金屬Pd與碳納米管相接觸時(shí)，在兩者的接觸處，會(huì)形成電子勢(shì)皇，該電子勢(shì)皇對(duì)電子的阻擋非常大，而對(duì)于空穴的阻擋較小，這樣，若所述壓電薄膜層受到第一方向的壓力后，若第二電極層積累的電荷為正電荷(可以理解為是空穴)，該正電荷就很容易通過(guò)由金屬Pd形成的源極而注入碳納米管，進(jìn)而在第一TFT內(nèi)形成空穴電流，使得第一TFT開啟。由于金屬Sc的費(fèi)米能級(jí)與碳納米管的導(dǎo)帶之間的距離，小于Pd的費(fèi)米能級(jí)與碳納米管的價(jià)帶之間的距離，也就是金屬Sc的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)靠近碳納米管的導(dǎo)帶，因此，當(dāng)金屬Sc與碳納米管相接觸時(shí)，在兩者的接觸處，會(huì)形成空穴勢(shì)皇，該空穴勢(shì)皇對(duì)空穴的阻擋非常大，而對(duì)于電子的阻擋較小，這樣，若所述壓電薄膜層受到第二方向的壓力后，若第二電極層積累的電荷為負(fù)電荷(可以理解為是電子)，該負(fù)電荷就很容易通過(guò)由金屬Sc形成的源極而注入碳納米管，進(jìn)而在第二 TFT內(nèi)形成電子電流，使得第二 TFT開啟。
[0052]較佳地，所述壓電傳感器還包括一絲素蛋白襯底，所述第二電極層、所述第一功能模塊和所述第二功能模塊均位于所述絲素蛋白襯底之上。
[0053]作為一種實(shí)現(xiàn)方式，本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中包括絲素蛋白襯底11，以及在絲素蛋白襯底11之上的第二電極層12、壓電薄膜層13、第一電極層14和第一TFT 15、第二TFT 16。第一TFT 15為P型TFT，包括源極(Source)，為了與第二TFT16的源極相區(qū)分，在圖中用Source-1表示;漏極(Drain)，為了與第二TFT 16的漏極相區(qū)分，在圖中用Drain-1表示;柵極(Gate)，為了與第二 TFT 16的柵極相區(qū)分，在圖中用Gate-1表示;碳納米管(CNT)導(dǎo)電溝道(Channel)層，與第二 TFT 16共用;柵絕緣層(GI) 17，與第二 TFT16共用。第二 TFT 16為N型TFT，包括源極，在圖中用Source-2表示;漏極，在圖中用Drain-2表示;柵極，在圖中用Gate-2表示;CNT導(dǎo)電溝道層，與第一 TFT 15共用;柵絕緣層17，與第一TFT 15共用。
[0054]其中，Source-1與第二電極層12的一個(gè)電極接觸端相連接，該電極接觸端向Source-1提供負(fù)的電源電壓(VDD-1) ,Drain-1連接第一數(shù)據(jù)線(BL-1)，Gate-1連接第一柵極線(WL-1) ； Source-2與第二電極層12的另一個(gè)電極接觸端相連接，該電極接觸端向Source-2提供正的電源電壓(VDD-2)，Drain-2連接第二數(shù)據(jù)線(BL_2)，Gate-2連接第二柵極線(WL-2)。
[0055]圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電傳感器受到不同方向上的壓力時(shí)其第一電極層14和第二電極層12中的電荷變化示意圖。
[0056]當(dāng)本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電傳感器受到不同方向上的壓力作用時(shí)，壓電薄膜層13中的晶體將產(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子相對(duì)位置隨之變動(dòng)，具體如下:
[0057]I)當(dāng)壓電傳感器受到垂直方向上的壓力作用時(shí)，第二電極層12積累正電荷，第一電極層14積累負(fù)電荷，如圖2中的(a)所示；
[0058]2)當(dāng)壓電傳感器受到水平方向上的壓力作用時(shí)，第二電極層12積累負(fù)電荷，第一電極層14積累正電荷，如圖2中的(b)所示。
[0059]圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電傳感器的材料組成結(jié)構(gòu)示意圖。
[0060]本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電傳感器的每一部分選用的材料如圖3中所示，分別為:
[0061]該壓電傳感器的襯底11為絲素蛋白(Silk fibroin)襯底，即襯底11的材料選用絲素蛋白。其中，絲素蛋白為從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，具有良好的生物兼容性和優(yōu)良的力學(xué)性能，可以經(jīng)過(guò)不同處理得到不同形態(tài)，如溶液，膜及凝膠等。利用絲素蛋白作為壓電傳感器的襯底，可制作為全柔性的薄膜壓電傳感器。
[0062]該絲素蛋白襯底11上的第二電極層12和第一電極層14的材料選用金屬鈀(Pt)或鈦(Ti)，第二電極層12和第一電極層14之間的壓電薄膜層13的材料選用聚偏氟乙烯(PVDF)。其中，PVDF為有機(jī)壓電材料，擁有極強(qiáng)的壓電效應(yīng)，柔韌性好、低密度、低阻抗、無(wú)毒、化學(xué)穩(wěn)定性好，具備非常好的生物兼容性，已經(jīng)應(yīng)用于植入式醫(yī)療傳感器。當(dāng)然，壓電薄膜層也可以選用其他的材料，例如鋯鈦酸鋇(BZT)或鋯鈦酸鉛(PZT)等。
[0063]該絲素蛋白襯底11上的第一TFT 15和第二 TFT 16采用同一層碳納米管薄膜作為共用的導(dǎo)電溝道層。其中，碳納米管具有優(yōu)良的伸縮性，其光電性能非常優(yōu)秀。碳納米管材料以其較高的穩(wěn)定性，良好的生物相容性成為生物納米材料中的佼佼者，可以作為制備組織工程細(xì)胞生長(zhǎng)支架、人工血管、藥物載體等基礎(chǔ)材料。具體地，本發(fā)明實(shí)施例中，選用碳納米管中的一種類型材料:高純半導(dǎo)體型單壁碳納米管(SC-SWNT)作為第一 TFT 15和第二 TFT16共用的導(dǎo)電溝道層。
[0064]第一 TFT 15的源極(Source-1)和漏極(Drain-1)選用的材料為金屬Pd，厚度為70nm，并且在制作源極和漏極時(shí)，在金屬Pd的底部增加一定厚度的金屬鈦(Ti)，以提高金屬在碳納米管薄膜上的粘附性和浸潤(rùn)性，其中，金屬T i的厚度范圍可以為0.2nm?0.8nm，本實(shí)施例中，Ti的厚度選為0.5nm。第一 TFT15的柵極(Gate-1)選用的材料為金屬Pd。
[0065]第二 TFT 16的源極(Source-2)和漏極(Drain-2)選用的材料為金屬Sc，厚度為30nm，第二 TFT 16的柵極(Gate-2)選用的材料為金屬Pd。
[0066]其中，金屬T1、Pd、Pt均為生物相容性較好的金屬元素。
[0067]第一 TFT 15和第二 TFT 16共用的柵絕緣層(GI)17選用的材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)0
[0068]基于圖3所示的壓電傳感器，其具體的工作原理如下:
[0069]當(dāng)施加垂直方向上的壓力(參見圖3中所示的上下壓力感應(yīng))時(shí)，第二電極層12積累空穴，此時(shí)VDD-1為負(fù)電壓，該負(fù)電壓可提供為第一TFT 15的源漏電壓(Vds)。由于第一TFT 15的源極(Source-1)和漏極(Drain-1)選用的材料為金屬Pd，Pd與碳納米管薄膜層的接觸處形成電子勢(shì)皇，該電子勢(shì)皇對(duì)電子的阻擋很大，而對(duì)于空穴的阻擋很小，可以理解為第一 TFT 15的源漏電極與碳納米管的價(jià)帶形成對(duì)空穴的無(wú)勢(shì)皇接觸，當(dāng)向Gate-1輸入負(fù)電壓信號(hào)時(shí)，作為導(dǎo)電溝道的碳納米管中形成空穴積累，由于第一TFT 15的源漏電極與碳納米管的接觸處形成的勢(shì)皇對(duì)空穴阻擋較小，因此，第二電極層12中的空穴很容易被注入并且通過(guò)碳納米管進(jìn)而形成空穴電流，使得P型的第一 TFT 15開啟其工作狀態(tài)，施加壓力產(chǎn)生的壓電信號(hào)相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。而此時(shí)，由于第二 TFT 16的源極(Source-2)和漏極(Drain-2)選用的材料為金屬Sc，Sc與碳納米管薄膜層的接觸處形成空穴勢(shì)皇，該空穴勢(shì)皇對(duì)空穴的阻擋很大，使得第二電極層12中的空穴無(wú)法通過(guò)Source-2進(jìn)入碳納米管，因此，第二TFT 16此時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)。從而，通過(guò)第一 TFT 15，就可以感測(cè)到外界施加的垂直方向的壓力。
[0070]當(dāng)施加水平方向上的壓力(參見圖3中所示的左右壓力感應(yīng))時(shí)，第二電極層12積累電子，此時(shí)VDD-2為正電壓，該正電壓可提供為第二TFT 16的源漏電壓(Vds)。由于第二TFT 16的源極(Source-2)和漏極(Drain-2)選用的材料為金屬Sc，Sc與碳納米管薄膜層的接觸處形成空穴勢(shì)皇，該空穴勢(shì)皇對(duì)空穴的阻擋很大，而對(duì)于電子的阻擋很小，可以理解為第二 TFT 16的源漏電極與碳納米管的導(dǎo)帶形成對(duì)電子的無(wú)勢(shì)皇接觸，當(dāng)向Gate-2輸入正電壓信號(hào)時(shí)，作為導(dǎo)電溝道的碳納米管中形成電子積累，由于第二TFT 16的源漏電極與碳納米管的接觸處形成的勢(shì)皇對(duì)電子阻擋較小，因此，第二電極層12中的電子很容易被注入并且通過(guò)碳納米管進(jìn)而形成電子電流，使得N型的第二 TFT 16開啟其工作狀態(tài)，施加壓力產(chǎn)生的壓電信號(hào)相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。而此時(shí)，由于第一 TFT 15的源極(Source-Ι)和漏極(Drain-1)與碳納米管薄膜層的接觸處形成電子勢(shì)皇，該電子勢(shì)皇對(duì)電子的阻擋很大，使得第二電極層12中的電子無(wú)法通過(guò)Source-1進(jìn)入碳納米管，因此，第一 TFT 15此時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)。從而，通過(guò)第二 TFT 16，就可以感測(cè)到外界施加的水平方向的壓力。
[0071 ]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電傳感器的元件電路示意圖。
[0072]其中，Sensor表示由第一電極層、壓電薄膜層和第二電極層組成的常規(guī)壓力傳感器，該Sensor與TFT的源極(簡(jiǎn)稱S)相連接。當(dāng)WL為高電位時(shí)，與WL相連接的存儲(chǔ)單元打開，此時(shí)BL上就可以讀或?qū)憯?shù)據(jù)到存儲(chǔ)單元。
[0073]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電傳感器檢測(cè)壓力感應(yīng)的工作原理示意圖。
[0074]其中，橫軸表示柵極電壓(Vcs)，縱軸表示源漏電流(Ids)。可以看出，當(dāng)沒有施加壓力時(shí)，Ids為O;當(dāng)在一個(gè)方向上施加壓力時(shí)，Ids不為O，并且隨，Vgs的變化而變化。
[0075]需要說(shuō)明的是，圖5所示為壓電傳感器中的P型TFT開啟并檢測(cè)壓力的工作原理示意圖，壓電傳感器中的N型TFT開啟并檢測(cè)壓力的工作原理與P型TFT類似，在此不再贅述。
[0076]本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種壓電傳感器的制造方法，該方法包括:
[0077]在襯底上由下至上依次制作第二電極層、壓電薄膜層和第一電極層；以及在所述襯底上制作分別與所述第二電極層相連接的用于感測(cè)第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測(cè)第二方向上的壓力的第二功能模塊，其中，所述第一方向和第二方向相互垂直。
[0078]所述第一方向例如可以為垂直方向，所述第二方向例如可以為水平方向。
[0079]其中，在襯底上制作第二電極層、壓電薄膜層、第一電極層，與制作第一功能模塊和第二功能模塊的順序并無(wú)嚴(yán)格要求，可以是制作完第二電極層、壓電薄膜層、第一電極層之后，制作第一功能模塊和第二功能模塊，也可以是制作完第一功能模塊和第二功能模塊之后，制作第二電極層、壓電薄膜層、第一電極層。
[0080]較佳地，采用電子束熱蒸發(fā)的方法在所述襯底上由下至上依次制作所述第二電極層、壓電薄膜層和第一電極層。
[0081]較佳地，所述第一功能模塊包括第一薄膜晶體管TFT，所述第二功能模塊包括第二TFT；
[0082]在所述襯底上制作分別與所述第二電極層相連接的用于感測(cè)第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測(cè)第二方向上的壓力的第二功能模塊，具體包括:
[0083]在所述襯底上制作所述第一TFT，以及在所述襯底上制作所述第二TFT，將所述第一 TFT的源極與所述第二電極層上預(yù)先設(shè)置的第一電極接觸端電連接，將所述第二 TFT的源極與所述第二電極層上預(yù)先設(shè)置的第二電極接觸端電連接;其中，所述第一TFT為P型TFT，所述第二 TFT為N型TFT。
[0084]較佳地，采用同一層碳納米管薄膜作為所述第一TFT和第二 TFT共用的導(dǎo)電溝道層。
[0085]較佳地，采用溶液法制作所述碳納米管薄膜。其中，溶液法例如可以是浸泡、旋涂，噴墨打印等方式。
[0086]較佳地，采用第一金屬制作所述第一TFT的源極和漏極，采用第二金屬制作所述第二TFT的源極和漏極，其中，所述第一金屬的功函數(shù)大于所述第二金屬的功函數(shù)。
[0087]較佳地，所述第一金屬為Pd，所述第二金屬為Sc。
[0088]較佳地，采用電子束熱蒸發(fā)的方法制作所述第一金屬和所述第二金屬。
[0089]較佳地，所述第一TFT和第二 TFT共用柵絕緣層(GI)，柵絕緣層可采用溶液法制作，例如浸泡、旋涂，噴墨打印等。
[0090]較佳地，所述襯底為絲素蛋白襯底，采用溶液法制作所述絲素蛋白襯底。
[0091]其中，在制作上述壓電傳感器時(shí)，所有圖形化過(guò)程均可以采用光刻工藝制作完成。在襯底上制作各功能部件時(shí)，襯底可以保持低溫，從而可以與柔性制程兼容。
[0092]較佳地，采用溶液法將所述絲素蛋白襯底制作于固態(tài)的二甲基硅氧烷(PDMS)之上，在所述制作于所述PDMS之上的絲素蛋白襯底上制作完所述第二電極層、壓電薄膜層、第一電極層、第一功能模塊和第二功能模塊之后，該方法還包括:將所述PMDS剝離。從而完成真正柔性的高性能醫(yī)用級(jí)全方位感測(cè)薄膜壓電傳感器的制作。
[0093]本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電傳感器，作為一種柔性的動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器，可應(yīng)用于醫(yī)療，汽車電子，運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)等領(lǐng)域。尤其適用于可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，醫(yī)療體外或植入人體內(nèi)部的監(jiān)測(cè)及治療使用，或者應(yīng)用于人工智能的電子皮膚等領(lǐng)域。
[0094]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種壓電傳感器，其特征在于，所述壓電傳感器包括第一電極層、第二電極層和位于第一電極層與第二電極層之間的壓電薄膜層，所述壓電傳感器還包括:用于感測(cè)第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測(cè)第二方向上的壓力的第二功能模塊，所述第一功能模塊和所述第二功能模塊分別與所述第二電極層相連接，其中，所述第一方向和第二方向相互垂直。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電傳感器，其特征在于，所述第一功能模塊包括第一薄膜晶體管TFT，所述第一 TFT的源極連接所述第二電極層的第一電極接觸端，漏極連接第一數(shù)據(jù)線，柵極連接第一柵極線； 所述第二功能模塊包括第二 TFT，所述第二 TFT的源極連接所述第二電極層的第二電極接觸端，漏極連接第二數(shù)據(jù)線，柵極連接第二柵極線;其中，所述第一TFT為P型TFT，所述第二 TFT 為N型 TFT。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電傳感器，其特征在于，所述第一TFT和所述第二 TFT共用同一層碳納米管薄膜作為導(dǎo)電溝道層。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電傳感器，其特征在于，形成所述第一TFT的源極和漏極的第一金屬的功函數(shù)，大于形成所述第二 TFT的源極和漏極的第二金屬的功函數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓電傳感器，其特征在于，所述第一TFT的源極和漏極，以及所述第二 TFT的源極和漏極均與所述碳納米管薄膜相接觸;所述第一金屬的費(fèi)米能級(jí)與所述碳納米管薄膜的價(jià)帶之間的距離，小于所述第一金屬的費(fèi)米能級(jí)與所述碳納米管薄膜的導(dǎo)帶之間的距離;所述第二金屬的費(fèi)米能級(jí)與所述碳納米管薄膜的導(dǎo)帶之間的距離，小于所述第二金屬的費(fèi)米能級(jí)與所述碳納米管薄膜的價(jià)帶之間的距離。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓電傳感器，其特征在于，所述第一金屬為鈀Pd，所述第二金屬為鈧Sc。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電傳感器，其特征在于，在形成所述第一TFT的源極和漏極的第一金屬Pd的底部還包括金屬鈦Ti。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電傳感器，其特征在于，所述金屬Ti的厚度范圍為0.2nm?0.8nmo9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電傳感器，其特征在于，所述壓電傳感器還包括一絲素蛋白襯底，所述第二電極層、所述第一功能模塊和所述第二功能模塊均位于所述絲素蛋白襯底之上。10.—種如權(quán)利要求1至9任一權(quán)項(xiàng)所述的壓電傳感器的制造方法，其特征在于，該方法包括: 在襯底上由下至上依次制作第二電極層、壓電薄膜層和第一電極層；以及在所述襯底上制作分別與所述第二電極層相連接的用于感測(cè)第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測(cè)第二方向上的壓力的第二功能模塊，其中，所述第一方向和第二方向相互垂直。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征在于，采用電子束熱蒸發(fā)的方法在所述襯底上由下至上依次制作所述第二電極層、壓電薄膜層和第一電極層。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征在于，所述第一功能模塊包括第一薄膜晶體管TFT，所述第二功能模塊包括第二 TFT; 在所述襯底上制作分別與所述第二電極層相連接的用于感測(cè)第一方向上的壓力的第一功能模塊和用于感測(cè)第二方向上的壓力的第二功能模塊，具體包括: 在所述襯底上制作所述第一TFT，以及在所述襯底上制作所述第二TFT，將所述第一TFT的源極與所述第二電極層上預(yù)先設(shè)置的第一電極接觸端電連接，將所述第二 TFT的源極與所述第二電極層上預(yù)先設(shè)置的第二電極接觸端電連接;其中，所述第一TFT為P型TFT，所述第二 TFT為N型TFT。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制作方法，其特征在于，采用同一層碳納米管薄膜作為所述第一 TFT和第二 TFT共用的導(dǎo)電溝道層，所述碳納米管薄膜采用溶液法制作。14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制作方法，其特征在于，采用第一金屬制作所述第一TFT的源極和漏極，采用第二金屬制作所述第二TFT的源極和漏極，其中，所述第一金屬和所述第二金屬均采用電子束熱蒸發(fā)的方法制作。15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征在于，所述襯底為絲素蛋白襯底，采用溶液法制作所述絲素蛋白襯底。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制作方法，其特征在于，采用溶液法將所述絲素蛋白襯底制作于固態(tài)的二甲基硅氧烷PDMS之上，在所述制作于所述PDMS之上的絲素蛋白襯底上制作完所述第二電極層、壓電薄膜層、第一電極層、第一功能模塊和第二功能模塊之后，該方法還包括:將所述PMDS剝離。
【文檔編號(hào)】G01L1/16GK105841850SQ201610317296
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】田雪雁
【申請(qǐng)人】京東方科技集團(tuán)股份有限公司