[發(fā)明專利]一種柔性有源壓力/應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)及其制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510678839.5
• 申請(qǐng)日: 2015-10-19
• 公開（公告）號(hào): CN105203019B
• 公開（公告）日: 2018-05-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡少堅(jiān);陳壽面;郭奧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海集成電路研發(fā)中心有限公司
• 主分類號(hào): G01B7/16
• 分類號(hào): G01B7/16;G01L1/16;H01L51/05;H01L51/30;H01L51/40
• 代理公司: 上海天辰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31275
• 代理人: 吳世華;尹英

本發(fā)明公開了一種柔性有源壓力/應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)及其制作方法，在柔性壓電薄膜上直接集成碳納米管薄膜晶體管陣列，壓電薄膜的電荷變化可直接改變碳納米管薄膜晶體管器件的閾值電壓，通過檢測碳納米管薄膜晶體管器件陣列輸出特性大小，可以檢測出壓電薄膜的應(yīng)變與壓力大小，使得輸出端信號(hào)處理變得更簡單，而且不需要考慮電阻匹配問題，輸出信號(hào)通過有源器件控制，靜態(tài)功耗低，具有結(jié)構(gòu)和工藝較簡單、可減少工藝步驟及成本的優(yōu)勢。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于碳納米管薄膜器件的柔性有源壓力/應(yīng)變感應(yīng)傳感器結(jié)構(gòu)及其制作方法。

背景技術(shù)

應(yīng)變傳感器薄膜主要用于各種應(yīng)變、壓力和加速度計(jì)的檢測與監(jiān)控上，例如應(yīng)用在建筑物的結(jié)構(gòu)監(jiān)控上。這種應(yīng)變監(jiān)控通常采用金屬薄片，通過電阻變化來檢測應(yīng)變的大小。更先進(jìn)的技術(shù)是采用PVDF(Polyvinylidene Fluoride，聚偏氟乙烯)壓電薄膜，它具有輕質(zhì)柔軟、靈敏度高、成本低等特點(diǎn)。

近年來，隨著可穿戴設(shè)備、仿生機(jī)器人等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)高靈敏度的柔性壓力/應(yīng)變傳感器要求越來越多。除了PVDF壓電薄膜，還有采用碳納米管(Carbon nanotubes，CNT)與聚合物材料相結(jié)合制備高靈敏度柔性壓力/應(yīng)變傳感器的方法，它利用了碳納米管可拉升的特點(diǎn)以及碳納米管薄膜電阻對(duì)形變的敏感特性。不過，目前這些產(chǎn)品和研究都主要是無源的應(yīng)變傳感器薄膜。

有源應(yīng)變傳感器薄膜采用有源器件與應(yīng)變敏感膜相結(jié)合的方式，有源器件可以做成陣列，通過有源器件驅(qū)動(dòng)壓力感應(yīng)膜，可以進(jìn)一步提升敏感特性，并降低功耗(可以通過控制有源器件的開關(guān)來降低產(chǎn)品的靜態(tài)功耗)。

有相關(guān)研究，如在文獻(xiàn)“Chuan Wang,et al.User-interactive electronic skinfor instantaneous pressure visualization.Nature Materials,Vol 12,p889-p904(2013)”中，采用在碳納米管薄膜上面增加PSR(Pressure sensitive rubber，壓力敏感橡膠)的方式形成有源壓力傳感器件結(jié)構(gòu)，PSR置于源端，外部壓力通過PSR改變碳納米管TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶體管)器件的輸出電阻，通過輸出電流變化來感知壓力大小，如圖1a所示。其缺點(diǎn)是PSR電阻大小和TFT的輸出電阻大小不容易匹配，當(dāng)PSR電阻相比TFT輸出電阻太小時(shí)，則會(huì)降低靈敏度。另外，在壓力感應(yīng)時(shí)，與PSR相連的TFT器件是常通的，有較大漏電存在，這會(huì)提高器件的靜態(tài)功耗。

另一種方法是采用PVDF壓電薄膜與柵相連，如圖1b所示。在無外界壓力時(shí)，TFT器件不導(dǎo)通；當(dāng)施加外界壓力，PVDF受壓后感應(yīng)電荷將改變TFT器件的有效閾值電壓，從而使得TFT導(dǎo)通。通過檢測電流變化能感知外界壓力大小。它的優(yōu)點(diǎn)是TFT器件是常關(guān)的，只有當(dāng)有壓力時(shí)才會(huì)有較大電流通過，因此器件的靜態(tài)功耗較低。公開號(hào)為CN104613861A的中國發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種柔性有源應(yīng)變或壓力傳感器結(jié)構(gòu)及制備方法，采用了此方法，但該專利申請(qǐng)采用先在柔性襯底上制作碳納米管、然后再覆蓋壓電薄膜的方法，其結(jié)構(gòu)和工藝都較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種柔性有源壓力/應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)及其制作方法，其結(jié)構(gòu)和工藝都較簡單，可減少制作工藝步驟及成本，并具有靜態(tài)功耗低、輸出端信號(hào)處理簡捷的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：