[发明专利]一种基于压电材料的压力传感器及制备方法

说明书

本发明提供一种基于压电材料的压力传感器及制备方法，所述压力传感器由绝缘体上硅作为衬底，在该衬底上设有通过金属电极互联的呈间隔交错排列的d33模式压电材料和结型场效应晶体管。本发明不需要额外电源，能大大简化后续电路，且测量精度高。

技术领域

本发明涉及基于压电材料的压力传感器，属于微电子器件领域，具体涉及一种基于压电材料的压力传感器及制备方法。

背景技术

压力传感器广泛应用于电子技术、仪器仪表、物联网等领域，负责将环境中的压力力学量转换为能被电子系统处理的电学量。现有较为成熟的压力传感解决方案为电阻型和电容型两种，二者分别于上个世纪和本世纪初就应用于消费电子领域，尤其是触控屏、指纹识别和电子秤等领域。近些年随着压电材料的研究取得一定的突破，将压电材料引入平面工艺成为可能，人们对基于压电效应的压力传感器的设计与研究日益增多。

电阻式和电容式压力传感器再力学量和电学量之间的转换中需要额外的电源，电阻式压力传感器需要直流信号用于检测电阻的变化，这将带来额外的功耗，而电容式则需要交流型号来检测阻抗的变化，在带来额外功耗的同时，检测信号也将干扰其他设备，同时二者额外的信号源也将导致电路规模的上升。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于压电材料的压力传感器及制备方法，本发明通过压电效应实现压力力学量与电学量的直接转换，通过压电效应将压力这一力学量转换为电压这一电学量，再通过相邻的结型场效应管放大后输出，再由外电路的模数转换器等结构进行测量即可得到对应的压力值。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种基于压电材料的压力传感器，所述压力传感器以SOI(Silicon On Insulator绝缘体上硅)为衬底，衬底上设置有间隔交错排列的d33模式压电材料和JFET(JunctionField-Effect Transistor结型场效应管)组成，在二维排列中，不同列的传感器之间错开一个结型场效应管以提高大面积传感器的精准度。

本发明所述的结型场效应管可以是N沟道结型场效应管也可以是P沟道结型场效应管，对外电路有两个输出，Source极和Drain极，二者在特定电学环境下可以实现互换。

本发明所述的压电材料工作在d33模式下，共有三个电极，包括中间的通用极COM和两侧的输出电极Gate，其中通用极COM直接接地，输出电极同时作为两侧结型场效应管的栅极。

本发明所述压电材料的输出极与相邻的结型场效应晶体管的栅极结构上为同一电极，电学上直接相连，该电极与绝缘体上硅衬底通过欧姆接触相连。压电材料的极化方向视选用的结型场效应管类型而定，极化方向的不同将导致压力传感器受到压力时输出电极产生的相对于通用极的电势差的极性不同，可以是正值也可以是负值。

本发明所述压电材料为ZnO、PZT-5系列或AlN。压力传感器受到外界压力时压电材料的输出电极将产生电压，同时该电压直接施加在场效应管的栅极上，进而在源极和漏极间产生电流，外电路通过测量源漏间电流即可检测外界压力变化。

一种基于压电材料的压力传感器的制备方法，该方法包括步骤：

a)提供一P型掺杂的绝缘体上硅衬底；

b)于场效应管N阱所在位置掺入N型杂质形成结型场效应管的沟道；

c)于场效应管源极和漏极所在位置掺入N型杂质形成高浓度的源区和漏区；

d)淀积一层绝缘材料，淀积完成后通过CMP进行表面平面化处理；

e)刻蚀压电材料所在位置的绝缘材料；

f)淀积压电材料，淀积完成后通过CMP进行表面平面化处理，同时向下研磨多余的压电材料直到露出顶层绝缘材料；