一种基于压电材料的压力传感器及制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术不需要额外电源，能大大简化后续电路，且测量精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电材料的压力传感器及制备方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：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，本专利技术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。本专利技术的专利技术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(SiliconOnInsulator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-EffectTransistor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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术所述压电材料为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；g)刻蚀金属电极所在位置的绝缘材料与压电材料；h)溅射金属材料，金属在压电材料层与绝缘材料层中形成电极，同时与下方硅材料之间形成欧姆接触，溅射完成后通过CMP进行表面平面化处理，保留一定厚度的金属膜；i)刻蚀金属引线以外部分的多余金属材料。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1.压电效应产生的电信号能够直接输出，力学量-电学量之间的转换不需要额外的电源，电阻式传感器需要直流信号用于测试电阻的变化，而电容屏则需要交流信号来测量阻抗的变化；2.压电效应能够直接将电信号直接输出，因此后续电路只需要测量这部分电信号的量即可得到压力值的大小，而不需要测量阻抗变化，简化了后续电路的设计和整体系统的规模及设计难度；3.压电材料受到外界压力后产生的电信号可以直接经旁边的结型场效应管放大后输出，增加了测量精度；4.由于压电材料可以直接输出电学量，因此可以很方便得输出动态压力变化；5.结构紧凑，集成度高。附图说明图1为本专利技术的单列压力传感器的结构图。图2为本专利技术在N沟道JFET的条件下各材料层分布和硅材料的掺杂分布。图3为本专利技术的压力传感单元的等效电路图。图4至图12为本专利技术在N沟道JFET的条件下的制作工艺流程图，其中图4为提供一P型SOI衬底；图5为掺杂形成N阱；图6为掺杂形成高浓度N阱；图7为淀积一层绝缘材料；图8为刻蚀压电材料所在的区域；图9为淀积压电材料；图10为刻蚀金属材料所在区域；图11为溅射金属材料；图12为刻蚀形成金属引线(材料的图例同图2)。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例参阅图1本专利技术的基于d33压电材料与结型场效应晶体管的压力传感器以SOI为衬底，衬底上设置有间隔交错排列的d33模式压电材料和结型场效应晶体管组成；参阅图1本专利技术的基于d33压电材料与结型场效应晶体管的压力传感器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；参阅图1本专利技术的基于d33压电材料与结型场效应晶体管的压力传感器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；参阅图1本专利技术的基于d33压电材料与结型场效应晶体管的压力传感器在需要多列传感器并行排列形成二维阵列时(例如指纹识别这种需要大面积高精度的系统)，相邻列之间的排列错开一个结型场效应管，以提高压力传感器在大面积下的性能，如表1所示：表1传感器二维阵列排列示意参阅图2，本专利技术的基于d33压电材料与结型场效应晶体管的压力传感器的结构，以N沟道JFET为例，压力传感器件以P型掺杂的SOI为衬底，在衬底上掺入N区形成场效应管的沟道，再在源漏区域掺入更高浓度的N区形成源漏区，在半导体层上布置绝缘材料、压电材料和金属材料，压电材料的输出电极，同时也是场效应管的栅极直接与P型衬底通过欧姆接触相连，源漏区则通过欧姆接触与源极和漏极相连。进一步的，基于P沟道JFET的压力传感器则以N型掺杂的SOI为衬底，在衬底上掺入P型区形成场效应管的沟道，再在源漏区域掺入更高浓度的P区形成源漏区，其余结构与基于N沟道JFET的传感器相同；参阅图2与图3，本专利技术的基于d33压电材料与结型场效应晶体管的压力传感器，压电材料受到外界压力时产生平面方向的应力，压电材料两端的输出端与中间通用端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压电材料的压力传感器，其特征在于，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。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于压电材料的压力传感器，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的一种基于压电材料的压力传感器，其特征在于，所述的结型场效应管为N沟道结型场效应管或P沟道结型场效应管。


3.根据权利要求1所述的一种基于压电材料的压力传感器，其特征在于，所述的压电材料工作在d33模式下，压电材料包括中间的通用极和两侧的输出电极，其中通用极直接接地。


4.根据权利要求3所述的一种基于压电材料的压力传感器，其特征在于，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。


5.根据权利要求1所述的一种基于压电材料的压力传感器，其特征在于，所述压电...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭建平，陆颢瓒，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44