[發明專利]一種半導體壓力傳感器及其壓力測量方法

有效

• 申請號: 201811366142.4
• 申請日: 2018-11-16
• 公開（公告）號: CN109282923B
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 黃曉東;何欣怡;李帆
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01L1/16
• 分類號: G01L1/16;G01L9/08;G01L19/08
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

本發明提供了一種半導體壓力傳感器，其包括頂柵型場效應晶體管、電致變色器件、第一開關、第二開關、恒定電源，頂柵型場效應晶體管的柵極包括壓電層，頂柵型場效應晶體管的源極通過第一開關與電致變色器件的工作電極相連，頂柵型場效應晶體管的漏極連接電源線，電致變色器件的對電極接地；第二開關連接恒定電源的負極與第一開關，且第二開關、恒定電源所在旁路與電致變色器件相并聯。另外，本發明提供了一種半導體壓力傳感器的壓力測量方法，該方法無需使用復雜的接口電路，通過眼睛直接觀察顏色即可獲得當前環境的壓力信息。本發明的半導體壓力傳感器具有功耗低、靈敏度高等優點。

技術領域

本發明涉及一種壓力傳感器，尤其涉及一種具有低功耗、高靈敏度的半導體壓力傳感器，該壓力傳感器可以通過顏色指示壓力。

背景技術

壓力傳感器作為傳感器的一個重要類型，長期占據著傳感器市場的主要份額，在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們所接觸到的其他領域中都得到廣泛應用。半導體壓力傳感器是壓力傳感器的一種重要類型，具有結構簡單、制備成本低以及易于接口電路集成等優點。該類型傳感器主要利用半導體材料的物理特性將壓力信號轉化為電信號，它主要包括有源和無源兩種類型。相比于前者，有源傳感器兼具信號轉換和放大的功能并具有輸出電學參數靈活多樣的優點，因此是當前的研究熱點。一個典型的半導體壓力傳感器呈場效應晶體管結構，在外界壓力作用下，晶體管的載流子遷移率發生變化，進而引起晶體管的輸出電流等電學特性發生改變，從而實現將環境壓力轉化為電信號。對于現有的基于場效應晶體管的半導體壓力傳感器，它需要在外加柵壓的條件下才能工作，因此存在著傳感器功耗偏高的問題。此外，該類型傳感器的靈敏度也有待于進一步提升，以滿足技術發展的需求。再者，該類傳感器還需進一步使用接口電路對電信號進行檢測和顯示(或讀出)，最終實現環境壓力的測量。接口電路的使用一方面有助于提高傳感器的測量精度；但另一方面，卻也增加了傳感器的設計與制備的難度和成本，并且還增加了傳感器的體積和功耗。因此，針對一些對傳感器成本和功耗有嚴格要求而對其精度無高要求的領域(如智能手機等消費類電子產品)，上述方案越來越難以滿足技術發展的需求。

電致變色指的是材料顏色在外加電場的作用下發生穩定、可逆變化的現象。一個典型的電致變色器件包括：對電極/離子存儲層/電解質層/電致變色層/工作電極。其中，電致變色層是實現電致變色器件功能的關鍵部分，該層在外加電場的驅動下會發生氧化還原反應而產生對光譜吸收能帶的變化，從而改變了自身顏色。目前，電致變色器件已在智能調光玻璃、汽車自動防眩目后視鏡等領域得到應用。

發明內容

為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種半導體壓力傳感器，所述半導體壓力傳感器包括頂柵型場效應晶體管、電致變色器件、第一開關、第二開關、恒定電源，所述頂柵型場效應晶體管的柵極包括壓電層，所述頂柵型場效應晶體管的源極通過第一開關與所述電致變色器件的工作電極相連，所述頂柵型場效應晶體管的漏極連接電源線，所述電致變色器件的對電極接地；所述第二開關連接所述恒定電源的負極與所述第一開關，且所述第二開關、所述恒定電源所在旁路與所述電致變色器件相并聯。

優選地，所述頂柵型場效應晶體管包括第二襯底，所述頂柵型場效應晶體管制備在所述第二襯底上表面。

優選地，所述第二襯底的下表面相對于所述場效應晶體管的位置設置有凹槽。

優選地，還包括第一襯底，所述第一襯底與所述第二襯底相貼合以密封所述凹槽。

優選地，所述壓電層的兩外側端部邊緣與所述源極和/或所述漏極的內側端部邊緣對齊；和/或所述壓電層的兩外側端部邊緣與所述源極和/或所述漏極的內側端部邊緣部分交疊。

優選地，所述壓電層的兩外側端部與所述源極或所述漏極的內側端部的交疊區域長度為5μm-50μm。

優選地，所述頂柵型場效應晶體管的溝道半導體層為單晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化鋅、銦鎵鋅氧化物、酞菁銅或并五苯；和/或所述壓電層為石英、鋯鈦酸鉛、氧化鋅、氮化鋁或聚偏氟乙烯。