技术领域
[0001] 本
发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种
压力传感器及其制备方法。
背景技术
[0002] 随着科学技术快速的发展，人类对压力传感器的要求越来越高，高灵敏度、大的测量范围、柔性等特点已经成为未来压力传感器发展的趋势，其中，如何使得压力传感器同时具备高灵敏度和大的测量范围成为该领域研究的难题。
[0003] 传统的压力传感器主要包括压阻式、电感式以及电容式三大类，分别通过器件主要组成结构的
电阻、电感以及电容在外部压力作用下产生变化，再利用测量
电路将这三种物理量的变化经过一系列处理最终达到探测外部压力变化的目的。传统的压力传感器不仅灵敏度较低且需要外围电路配合才能达到测量压力的目的。近年来出现的基于
薄膜晶体管的压力传感器设计，在一定程度上解决了外围电路的问题，同时也使得灵敏度在传统的压力传感器的
基础上有了一定的提高，故基于
薄膜晶体管的压力传感器是未来压力传感器的研究方向。
[0004] 现有的基于薄膜晶体管的压力传感器在具有高灵敏度的同时很难兼顾具有大的测量范围，而具有高灵敏度的同时能够兼顾具有大的测量范围的压力传感器的制备工艺复杂、成本太高。
发明内容
[0005] 为了解决上述问题，本发明提出一种压力传感器及其制备方法，所述压力传感器能够在提升灵敏度的同时兼顾具有大的测量范围，所述制备方法简化了制备工艺、降低了制备成本。
[0006] 本发明提出的具体技术方案为：提供一种压力传感器，所述压力传感器包括薄膜晶体管及设于所述薄膜晶体管上的敏感层，所述薄膜晶体管包括
半导体层和金属
电极，所述金属电极包括设于所述半导体层顶部的栅极，所述敏感层包括上敏感层，所述上敏感层的下表面具有微结构阵列，所述微结构阵列包括多个阵列设置的微结构，所述敏感层还包括
覆盖于所述微结构阵列表面的第一导电层，所述第一导电层与所述栅极电性连接。
[0007] 进一步地，所述敏感层还包括下敏感层及第二导电层，所述下敏感层位于所述上敏感层与所述栅极之间，所述第二导电层覆盖于所述下敏感层的上表面并从所述下敏感层的一端延伸至所述栅极的表面。
[0008] 进一步地，所述微结构的底部设置有凹槽。
[0009] 进一步地，所述凹槽的深度小于所述微结构阵列的厚度，和/或所述多个阵列设置的微结构中相邻两个微结构之间的间距相等。
[0010] 进一步地，所述微结构与所述凹槽的形状均为圆柱形。
[0011] 进一步地，所述半导体层包括衬底、从下而上依次设于所述衬底上的有源层、绝缘层，所述金属电极还包括设于所述衬底与所述有源层之间的源极和漏极，所述源极、漏极分别位于所述衬底的两端。
[0012] 进一步地，所述压力传感器还包括设于所述绝缘层与所述下敏感层之间的电阻层，所述电阻层位于所述栅极的一端并延伸至所述栅极的表面。
[0013] 进一步地，所述敏感层的材质为聚二甲基
硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，和/或所述有源层的材质为非晶铟镓锌氧化物(indium gallium zinc oxide，IGZO)薄膜。
[0014] 本发明还提供了一种压力传感器的制备方法，所述制备方法包括：
[0015] 提供一玻璃
底板、一薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括半导体层和金属电极，所述金属电极包括设于所述半导体层顶部的栅极；
[0016] 依次采用
光刻工艺、
刻蚀工艺在所述玻璃底板上形成模板；
[0017] 在所述模板的表面
旋涂聚二甲基硅氧烷并加热
固化后在所述模板的表面形成固化层；
[0018] 将所述固化层从所述模板的表面剥离，获得具有微结构阵列的上敏感层，所述微结构阵列包括多个阵列设置的微结构；
[0019] 在所述微结构阵列的表面蒸
镀一导电薄膜形成第一导电层，获得敏感层；
[0020] 将所述敏感层组装到所述薄膜晶体管上，以使得所述第一导电层与所述栅极电连接。
[0021] 进一步地，在将所述敏感层组装到所述薄膜晶体管上之前，所述制备方法还包括：
[0022] 在所述薄膜晶体管的表面旋涂聚二甲基硅氧烷并加热固化后在所述薄膜晶体管的表面形成下敏感层；
[0023] 在所述下敏感层的表面蒸镀一导电薄膜形成第二导电层；
[0024] 将所述第二导电层与所述第一导电层通过
层压工艺进行压合，获得所述敏感层。
[0025] 本发明提供的压力传感器包括薄膜晶体管和敏感层，所述敏感层包括具有微结构阵列的上敏感层和覆盖于所述微结构阵列表面的第一导电层，所述敏感层通过所述第一导电层与所述薄膜晶体管的栅极电性连接，通过在敏感层上设置微结构阵列，使得所述压力传感器具有高灵敏度的同时兼顾具有大的测量范围，且所述压力传感器的结构简单，简化了制备工艺、降低了制备成本。
附图说明
[0026] 通过结合附图进行的以下描述，本发明的
实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
[0027] 图1为压力传感器的结构示意图；
[0028] 图2为微结构的剖面图；
[0029] 图3至图8为压力传感器的制备方法的
流程图。
具体实施方式
[0030] 以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为局限于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种
修改。
[0031] 参照图1，本实施例提供的压力传感器为电阻式压力传感器，其包括薄膜晶体管1及设于薄膜晶体管1上的敏感层2。薄膜晶体管1包括半导体层和金属电极，金属电极包括设于半导体层顶部的栅极11，敏感层2包括上敏感层21，上敏感层21的下表面具有微结构阵列21a，微结构阵列21a包括多个阵列设置的微结构210，敏感层2还包括覆盖于微结构阵列21a表面的第一导电层22，第一导电层22与栅极11电性连接。
[0032] 上敏感层21的上表面被按压发生形变，其阻值发生变化，第一导电层22与栅极11电性连接，其用于将阻值的变化转换为栅极11上的
电压的变化，再通过薄膜晶体管1将栅极11上的电压的变化放大为薄膜晶体管1的源漏极的
电流的变化，从而根据薄膜晶体管1的源漏极的电流的变化来检测压力的大小。通过在敏感层2上设置微结构阵列21a，可以使得压力传感器在具有高灵敏度的同时兼具有大的测量范围。
[0033] 敏感层2还包括下敏感层23及第二导电层24，下敏感层23位于上敏感层21与薄膜晶体管1之间，第二导电层24覆盖于下敏感层23的上表面，第二导电层24与第一导电层22电性连接。将下敏感层23作为整个敏感层2的基底，一方面可以提升整个压力传感器的灵敏度，另一方面还能够对薄膜晶体管1起到保护的作用，防止薄膜晶体管1因受力不均而受到损坏。
[0034] 多个阵列设置的微结构210中相邻两个微结构210之间的间距相等，这样可以使得薄膜晶体管1的表面受力均匀，进一步提升整个压力传感器的灵敏度以及防止薄膜晶体管1因受力不均而受到损坏。本实施例中，相邻两个微结构210之间的间距为0～5微米。
[0035] 微结构210的底部开设有凹槽211，凹槽211的深度小于微结构阵列21a的厚度，凹槽211位于微结构210的底部的中心。本实施例中微结构210的宽度与相邻两个微结构210之间的间距相等，凹槽211的宽度为1～4微米。敏感层2在受到较小的压力时，微结构210环绕凹槽211周围的部分产生较大形变，引起上敏感层21的电阻的变化，从而使得压力传感器能够检测到较小压力时的形变，提升了压力传感器的灵敏度；敏感层2在受到较大的压力时，微结构210位于凹槽211顶部的部分产生较大形变，引起上敏感层21的电阻的变化，从而使得压力传感器能够检测到较大压力时的形变，提升了压力传感器的检测范围，因此，本实施例中的压力传感器能够在具有高灵敏度的同时兼具有大的测量范围。
[0036] 在受到较小的压力时也能够发生较大的形变，从而提升了压力传感器的灵敏度，同时，通过在敏感层2上设置微结构阵列21a，使得敏感层2在受到较大的压力时也能够进一步地发生形变，使得压力传感器具有大的测量范围。
[0037] 参照图2，本实施例中微结构210以及凹槽211的形状均为圆柱形，其截面形状为圆环形。当然，在其他实施方式中也微结构210以及凹槽211的形状可以根据实际需要进行设定，这里不做限定。
[0038] 本实施例中的薄膜晶体管1为顶栅型，其还包括衬底12、从下而上依次设于衬底12上的有源层13、绝缘层14及设于衬底12与有源层13之间的源极15和漏极16，源极15、漏极16分别位于衬底12的两端，栅极11设于绝缘层14上，第二导电层24从下敏感层23的一端延伸至栅极11的表面，从而实现与栅极11电连接。当然，本实施例中的薄膜晶体管1也可以为其他类型的晶体管，例如，为底栅型或双栅型，此时，只需要将第二导电层24与栅极11电性连接即可，例如，通过
导线将第二导电层24与栅极11连接或者通过将第二导电层24设置为不同的结构而将其与栅极11连接或者通过其他导电结构层将第二导电层24与栅极11进行连接。
[0039] 为了降低整个压力传感器的功耗，本实施例中的压力传感器还包括设于绝缘层14与下敏感层23之间的电阻层3，电阻层3位于栅极11的一端并延伸至栅极11的表面，其中，电阻层3与第二导电层24分别与栅极11的两端电连接。当然，电阻层3也可以设置在其他地方，只需要将其与栅极11连接且与第二导电层24不连接即可，敏感层2和电阻层3构成薄膜晶体管1的
门电压控制单元，通过电阻层3可以调节薄膜晶体管1的栅极11的电压。
[0040] 本实施例中敏感层2的材质为PDMS，有源层13的材质为IGZO薄膜。通过将敏感层2的材质选为PDMS可以使得压力传感器兼具柔性、透明的特点，通过有源层13的材质选为IGZO薄膜使得本实施例中的薄膜晶体管具有低
阈值电压、高
开关电流比的特性，从而提升了压力传感器的灵敏度。其中，上敏感层21的厚度为100～500微米，下敏感层23的厚度为300～500微米，通过调节下敏感层23的厚度可以控制第二导电层24对栅极11的影响。
[0041] 本实施例中的栅极11、源极15和漏极16的材质均为钼，也可以为
铝、镍、金、ITO、
银或多层材料。绝缘层14的材质为氧化铝，也可以为氧化铪、
二氧化硅等。第一导电层22和第二导电层24的材质均为银、金膜、银
纳米线、金纳米线、
碳纳米管、
石墨烯等导电材料。电阻层3的材质为氧化锌，也可以为其他金属或金属氧化物，例如，电阻层3的材质均为银或钼，或者电阻层3的材质均为掺铝氧化锌。其中，第一导电层22和第二导电层24的厚度均为50～100纳米。
[0042] 参照图3～8，本实施例还提供了一种压力传感器的制备方法，用于制备获得上述压力传感器，所述制备方法包括：
[0043] 步骤S1、提供一玻璃底板4、一薄膜晶体管1，薄膜晶体管1包括栅极11，如图3所示。
[0044] 步骤S2、依次采用光刻工艺、刻蚀工艺在玻璃底板4上形成模板5，如图4所示。
[0045] 具体地，步骤S2包括：
[0046] S21、在玻璃衬底4上利用
磁控溅射工艺沉积钼薄膜，溅射功率为100W，气压为0.1Pa，氮气流量为18sccm，钼薄膜的厚度为3um；
[0047] S22、在钼薄膜上以500r/min和3000r/min的旋涂速度旋涂
光刻胶，光刻胶型号为P1000，在热台上以120℃加热，加热时间为3分30秒；利用图案为直径5um的圆形阵列光刻板曝光5s，再显影30s形成圆形阵列图案；
[0048] S23、将浓度为2％的双氧
水作为刻蚀剂对所述钼薄膜进行刻蚀，刻蚀时间为30s；如图4所示，刻蚀所形成的刻蚀图案包括多个间隔设置的第一图案100和第二图案101，其中，第一图案100的深度为2um，宽度为1.5um，第二图案101的深度为1um，第一图案100与第二图案101之间的间距相等；然后用去离子水刻蚀后的钼薄膜进行冲洗，放入丙
酮溶液中超声5min，去除钼薄膜表面的光刻胶，再用去离子水冲洗，氮气吹干，此时，形成模板5。
[0049] 步骤S3、在模板5的表面旋涂PDMS并加热固化后在模板5的表面形成固化层6，如图5所示。
[0050] 具体地，步骤S3包括：
[0051] S31、将PDMS前驱物与固化剂以
质量比为10:1进行混合搅拌10分钟，获得
混合液；
[0052] S32、将混合液放在
真空腔中10分钟，以除去混合液中的气泡；
[0053] S33、将步骤S32中的混合液用旋涂仪以800r/min的转速旋涂在模板5上，然后置于80℃的热台上加热2小时，获得固化层6。
[0054] 步骤S4、将固化层6从模板5的表面剥离，获得具有微结构阵列21a的上敏感层21，微结构阵列21a包括多个阵列设置的微结构210，微结构210的底部具有凹槽211，如图6所示。
[0055] 具体地，在步骤S4中将冷却后的固化层6放到双氧水与
氨水的混合溶液中超声10分钟，将模板5溶解，固化层6与玻璃衬底4脱离。将固化层6取出用去离子水超声清洗干净并于室温下干燥，获得具有微结构阵列21a的上敏感层21，所获得的微结构210的宽度为3.4微米、厚度为2微米，凹槽211的宽度为2微米、深度为1um。
[0056] 步骤S5、在微结构阵列21a的表面蒸镀一导电薄膜形成第一导电层22，获得敏感层2，如图7所示。
[0057] 具体地，在步骤S5中将具有微结构阵列21a的上敏感层21放入真空腔室内通
过热蒸发工艺蒸镀一层银薄膜，蒸发电流为90A，蒸发速度为1nm/s，银薄膜的厚度为100纳米，在微结构阵列21a的表面形成第一导电层22。
[0058] 步骤S6、将敏感层2组装到薄膜晶体管1上，以使得第一导电层22与栅极11电连接。
[0059] 在步骤S6之前，本实施例中的制备方法还包括：
[0060] 在薄膜晶体管1的表面旋涂PDMS并加热固化后在薄膜晶体管1的表面形成下敏感层23，具体地，在栅极11的表面旋涂PDMS，以使得PDMS完全覆盖栅极11，然后通过
激光打孔工艺将栅极11一端的PDMS除去，以将栅极11的一端露出，形成下敏感层23；
[0061] 在下敏感层23的表面蒸镀一导电薄膜形成第二导电层24，其中，第二导电层24覆盖于下敏感层23的上表面并从下敏感层23露出栅极11的一端延伸至栅极11的表面，从而实现与栅极11的电连接；
[0062] 将第二导电层24与第一导电层22通过层压工艺进行压合，获得敏感层2，具体地，将第一导电层22与第二导电层24贴合，并于120℃下加压压紧，获得具有上敏感层21、第一导电层22、下敏感层23及第二导向层24的敏感层2，如图8所示。
[0063] 本实施例中步骤S1中薄膜晶体管的1的制备过程包括以下步骤：
[0064] 使用
电子束蒸发工艺在衬底12上掩膜生长金属铝分别作为源极15、漏极16，速率为2.5nm/s，源极15、漏极16的长度均为20微米，源极15、漏极16的厚度均为200纳米；
[0065] 利用磁控溅射掩膜工艺在衬底12上生长IGZO薄膜作为有源层13，溅射功率为200W，压强为0.4Pa，氧气与氮气流量比为1:30，
沟道长宽为50微米和500微米，厚度为30纳米，以使得有源层13完全覆盖衬底12、源极15及漏极16；
[0066] 将生长有有源层13的衬底12放入
原子层沉积设备中，利用三甲基铝和水生长氧化铝薄膜作为绝缘层14，速度为每循环1埃，绝缘层14的厚度为100纳米；
[0067] 利用磁控溅射掩膜工艺在绝缘层14上生长Mo薄膜作为栅极11，溅射功率为300W，压强为0.1Pa，氮气流量为18sccm，栅极11的长度为80微米、厚度为30纳米；
[0068] 将生长有栅极11的衬底12放在氮气气氛下，300℃
退火1小时，获得所需要的薄膜晶体管1。
[0069] 其中，在制备获得薄膜晶体管1后，本实施例的制备方法还包括在薄膜晶体管1上利用磁控溅射掩膜工艺生长氧化锌薄膜作为电阻层3，利用溅射功率及压强等条件调整电阻层3的电阻值。例如，溅射功率为220W，压强为0.09Pa，氩气流量为20sccm，氧气流量为2sccm，电阻层3为长10微米的正方形，其厚度为200纳米，电阻阻值为1兆欧。
[0070] 以上所述仅是本
申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
