[發明專利]一種多功能二極管壓電傳感器、制備方法及穿戴設備

在審

• 申請號: 202210271862.2
• 申請日: 2022-03-18
• 公開（公告）號: CN114665004A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: E.伊朗曼納什;周航;梁梓浩
• 申請（專利權）人: 北京大學深圳研究生院
• 主分類號: H01L41/083
• 分類號: H01L41/083;H01L41/18;H01L41/193;H01L41/39;H01L41/45
• 代理公司: 北京卓嵐智財知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11624
• 代理人: 蔡永波

1.一種多功能二極管壓電傳感器，其特征在于，包括：柔性基底、金屬頂電極和金屬氧化物導電底電極，所述金屬頂電極和金屬氧化物導電底電極制作在柔性基底上；

所述多功能二極管壓電傳感器具有P-N結二極管結構，所述P-N結二極管結構處于金屬頂電極和金屬氧化物導電底電極之間；所述P-N結二極管結構的N型層設于所述P-N結二極管結構的P型層之下；

所述P-N結二極管結構的N型層為半導體壓電材料，所述P-N結二極管結構的P型層為有機半導體；且P型層上表面封裝PET鈍化層。

2.根據權利要求1所述的多功能二極管壓電傳感器，其特征在于：

所述P型層的有機半導體包括如下之一：PEDOT:PSS、P3HT、PTAA；

所述N型層的半導體壓電材料為ZnO；

制作金屬頂電極包括如下材料之一：金、鉑、銀、銅；

制作金屬氧化物底電極的材料包括如下之一：氧化銦錫ITO、摻鋁氧化鋅AZO。

3.根據權利要求1所述的多功能二極管壓電傳感器，其特征在于，具有傳感模式和能量采集模式，其中：

所述傳感模式的實現方式為：直接讀取P-N結二極管結構的電壓或者電流，將所讀取的P-N結二極管結構的電壓或者電流作為傳感信號實現不同類型的傳感探測；其中，通過所述P-N結二極管結構在傳感模式下實現不同類型的傳感探測，所述傳感探測的類型包括：高靈敏度動態壓力探測、濕度探測、溫度探測和聲波探測；且高靈敏度動態壓力探測或聲波探測時所探測到的最小壓力為0.1N；

在采用傳感模式進行探測的同時，通過所述能量采集模式采集相應的能量；所述能量采集模式的實現方式如下：所述P-N結二極管結構與一個儲能電容并聯，探測壓力產生的電荷被所述P-N二極管結構探測到后儲存在所述儲能電容中，儲能電容將所儲存的電荷用于對外電路供電。

4.根據權利要求3所述的多功能二極管壓電傳感器，其特征在于，所述N型層的半導體壓電材料為ZnO時，ZnO為致密薄膜或一維納米線形狀，且取ZnO所具備的纖鋅礦晶體結構的002晶胞取向；

在高靈敏度動態壓力探測或者聲波探測時，當具有應力施加在PET鈍化層時，應力在ZnO的兩個不同的方向極化，電荷在ZnO的上表面和下表面積累，ZnO在002晶胞取向時具有最佳壓電響應；以及

致密薄膜或一維納米線形狀的ZnO使得肖特基勢壘增大儲能電容，當在高靈敏度動態壓力探測或聲波探測時使得P-N結二極管結構所探測到的最小壓力為0.1N。

5.根據權利要求4所述的多功能二極管壓電傳感器，其特征在于，

在溫度探測時，通過ZnO具有的氧空位吸收水蒸汽，在N型層和P型層產生界面電荷，界面電荷形成電壓信號，通過探測電壓信號實現濕度傳感。

6.一種穿戴設備，其特征在于，所述穿戴設備包括：具有穿戴功能的基礎裝備、以及設于具有穿戴功能的基礎裝備上的多功能二極管壓電傳感器，其中，所述多功能二極管壓電傳感器包括：

柔性基板，處于底層，用于支撐整個傳感器單元的所有部分；

傳感器單元，處于柔性基板之上，用于檢測動態壓力、靜態壓力、濕度和聲波中的一種或多種；

鈍化層，處于傳感器單元之上封裝于傳感器單元上，作為探測傳感的接觸面；所述鈍化保護層采用圓柱形紋理的圖案以提高傳感器單元的靈敏度；

其中，所述傳感器單元為P-N結二極管結構，所述P-N結二極管結構的N型層為半導體壓電材料，P-N結二極管結構的P型層為有機半導體；所述鈍化層封裝于所述P型層的上表面；

其中，所述穿戴設備包括：電子皮膚、服飾。

7.一種多功能二極管壓電傳感器的制備方法，其特征在于，包括：

在柔性基底的頂部濺射沉積底電極；

在室溫下射頻濺射半導體壓電材料形成P-N結二極管結構的N型層；

在N型層上涂覆生物相容的有機半導體形成P-N結二極管結構的P型層；

利用金屬蒸發或金屬濺射將金屬落在P型層上作為金屬頂電極。