[发明专利]一种柔性有源压力/应变传感器结构及其制作方法

说明书

本发明公开了一种柔性有源压力/应变传感器结构及其制作方法，在柔性压电薄膜上直接集成碳纳米管薄膜晶体管阵列，压电薄膜的电荷变化可直接改变碳纳米管薄膜晶体管器件的阈值电压，通过检测碳纳米管薄膜晶体管器件阵列输出特性大小，可以检测出压电薄膜的应变与压力大小，使得输出端信号处理变得更简单，而且不需要考虑电阻匹配问题，输出信号通过有源器件控制，静态功耗低，具有结构和工艺较简单、可减少工艺步骤及成本的优势。

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，更具体地，涉及一种基于碳纳米管薄膜器件的柔性有源压力/应变感应传感器结构及其制作方法。

背景技术

应变传感器薄膜主要用于各种应变、压力和加速度计的检测与监控上，例如应用在建筑物的结构监控上。这种应变监控通常采用金属薄片，通过电阻变化来检测应变的大小。更先进的技术是采用PVDF(Polyvinylidene Fluoride，聚偏氟乙烯)压电薄膜，它具有轻质柔软、灵敏度高、成本低等特点。

近年来，随着可穿戴设备、仿生机器人等技术领域的发展，对高灵敏度的柔性压力/应变传感器要求越来越多。除了PVDF压电薄膜，还有采用碳纳米管(Carbon nanotubes，CNT)与聚合物材料相结合制备高灵敏度柔性压力/应变传感器的方法，它利用了碳纳米管可拉升的特点以及碳纳米管薄膜电阻对形变的敏感特性。不过，目前这些产品和研究都主要是无源的应变传感器薄膜。

有源应变传感器薄膜采用有源器件与应变敏感膜相结合的方式，有源器件可以做成阵列，通过有源器件驱动压力感应膜，可以进一步提升敏感特性，并降低功耗(可以通过控制有源器件的开关来降低产品的静态功耗)。

有相关研究，如在文献“Chuan Wang,et al.User-interactive electronic skinfor instantaneous pressure visualization.Nature Materials,Vol 12,p889-p904(2013)”中，采用在碳纳米管薄膜上面增加PSR(Pressure sensitive rubber，压力敏感橡胶)的方式形成有源压力传感器件结构，PSR置于源端，外部压力通过PSR改变碳纳米管TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)器件的输出电阻，通过输出电流变化来感知压力大小，如图1a所示。其缺点是PSR电阻大小和TFT的输出电阻大小不容易匹配，当PSR电阻相比TFT输出电阻太小时，则会降低灵敏度。另外，在压力感应时，与PSR相连的TFT器件是常通的，有较大漏电存在，这会提高器件的静态功耗。

另一种方法是采用PVDF压电薄膜与栅相连，如图1b所示。在无外界压力时，TFT器件不导通；当施加外界压力，PVDF受压后感应电荷将改变TFT器件的有效阈值电压，从而使得TFT导通。通过检测电流变化能感知外界压力大小。它的优点是TFT器件是常关的，只有当有压力时才会有较大电流通过，因此器件的静态功耗较低。公开号为CN104613861A的中国发明专利申请公开了一种柔性有源应变或压力传感器结构及制备方法，采用了此方法，但该专利申请采用先在柔性衬底上制作碳纳米管、然后再覆盖压电薄膜的方法，其结构和工艺都较复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种柔性有源压力/应变传感器结构及其制作方法，其结构和工艺都较简单，可减少制作工艺步骤及成本，并具有静态功耗低、输出端信号处理简捷的优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：