一種電子皮膚及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電子皮膚及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電子皮膚是在柔軟的塑料薄膜中，嵌入各種各樣的柔性薄膜晶體管和各類傳感器，因?yàn)楹推つw一樣又軟又薄，又是貼在皮膚上的電子設(shè)備，可以滿足人體大面積的要求。電子皮膚不僅可以感受壓力和溫度，還可以感受光、濕度、緊張以及超聲波等，能夠通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈搏、心跳、體溫、肌肉群震動(dòng)等人體健康生理指標(biāo)，對(duì)人體健康數(shù)據(jù)變化及時(shí)做出反饋，甚至實(shí)現(xiàn)疾病的前期預(yù)防和診斷。同時(shí)還可以配置存儲(chǔ)器，還可以具備無線供電、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，便于隨身攜帶，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)的醫(yī)學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)。因此該技術(shù)打開了通向微型移動(dòng)健康監(jiān)測(cè)儀的大門。有必要提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高靈敏度耐用的電子皮膚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種電子皮膚及其制備方法，該電子皮膚可以同時(shí)測(cè)量壓力和溫度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作電壓低、功耗小、靈敏度高、傳感器信號(hào)間的干擾小。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明公開了一種電子皮膚，在柔性基板上設(shè)有氧化物薄膜晶體管、壓力傳感器和溫度傳感器，其中所述壓力傳感器和所述溫度傳感器分別位于所述柔性基板的兩側(cè)，所述氧化物薄膜晶體管包括第一薄膜晶體管和第二薄膜晶體管，所述壓力傳感器用于驅(qū)動(dòng)所述第一薄膜晶體管，所述溫度傳感器用于驅(qū)動(dòng)所述第二薄膜晶體管。
[0006]優(yōu)選地，所述柔性基板的材料是厚度為10?50 μm的聚酰亞胺。
[0007]優(yōu)選地，所述第一薄膜晶體管和所述第二薄膜晶體管采用同樣的頂柵結(jié)構(gòu)，所述壓力傳感器和所述溫度傳感器分別設(shè)有對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)電容。
[0008]優(yōu)選地，所述第一薄膜晶體管和所述第二薄膜晶體管分別包括漏極、源極、柵極、有源層、第一柵極絕緣層和第二柵極絕緣層，其中:
[0009]漏極與源極位于同一層，有源層位于對(duì)應(yīng)的漏極與源極所在的層之上且與對(duì)應(yīng)的漏極、源極部分重疊，第一絕緣層覆蓋在對(duì)應(yīng)的有源層之上，第二絕緣層覆蓋在對(duì)應(yīng)的漏極、源極與第一絕緣層之上，柵極位于對(duì)應(yīng)的第二絕緣層之上；
[0010]所述第一薄膜晶體管的源極與所述壓力傳感器相連，所述第二薄膜晶體管的源極通過所述柔性基板的過孔與所述溫度傳感器相連。
[0011]優(yōu)選地，所述第一薄膜晶體管和所述第二薄膜晶體管的漏極、源極、柵極采用金屬電極、透明導(dǎo)電電極或碳納米管；所述第一薄膜晶體管和所述第二薄膜晶體管的有源層采用金屬氧化物半導(dǎo)體；所述第一薄膜晶體管和所述第二薄膜晶體管的第一絕緣層采用S1x，所述第一薄膜晶體管和所述第二薄膜晶體管的第二絕緣層采用SiNx0
[0012]本發(fā)明另外還公開了一種電子皮膚的制備方法，在雙面覆有導(dǎo)電材料的柔性基板上通過刻蝕、沉積方法形成第一薄膜晶體管、第二薄膜晶體管、壓力傳感器和溫度傳感器，其中所述壓力傳感器和所述溫度傳感器分別形成于所述柔性基板的兩側(cè)。
[0013]優(yōu)選地，所述制備方法具體包括以下步驟:
[0014]S1:在雙面覆有導(dǎo)電材料的柔性基板的一側(cè)刻蝕出圖案A，所述圖案A包括第一薄膜晶體管的源極、漏極和第二薄膜晶體管的源極、漏極；
[0015]S2:在所述柔性基板的另一側(cè)刻蝕出圖案B，所述圖案B包括溫度傳感器的電極；
[0016]S3:在所述圖案B連接的柔性基板的對(duì)應(yīng)位置鉆孔，并電鍍鉆孔位置，使得所述圖案B與所述圖案A電連接；
[0017]S4:在圖案A上形成半導(dǎo)體層，再在所述半導(dǎo)體層上再沉積絕緣層，在所述半導(dǎo)體層上分別刻蝕出第一薄膜晶體管和第二薄膜晶體管的有源層，在所述絕緣層分別刻蝕出第一薄膜晶體管和第二薄膜晶體管的第一絕緣層，再在第一薄膜晶體管和第二薄膜晶體管的第一絕緣層沉積第二絕緣層；
[0018]S5:在第二絕緣層上形成導(dǎo)電層，刻蝕出第一薄膜晶體管和第二薄膜晶體管的柵極、以及壓力傳感器。
[0019]優(yōu)選地，步驟S4具體包括:
[0020]S41:在圖案A上采用磁控濺射的方法形成金屬氧化物半導(dǎo)體層，再在金屬氧化物半導(dǎo)體層上采用原子層沉積方法形成S1x層；
[0021]S42:在S1x層上采用干法刻蝕工藝分別刻蝕出第一薄膜晶體管和第二薄膜晶體管的第一絕緣層，在金屬氧化物半導(dǎo)體層上采用濕法刻蝕工藝分別刻蝕出第一薄膜晶體管和第二薄膜晶體管的有源層；
[0022]S43:在第一薄膜晶體管和第二薄膜晶體管的第一絕緣層上采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法形成第一薄膜晶體管和第二薄膜晶體管的第二絕緣層，并在第二絕緣層與源極的連接對(duì)應(yīng)位置采用干法刻蝕形成過孔。
[0023]優(yōu)選地，步驟S5具體包括:
[0024]S51:在第一薄膜晶體管和第二薄膜晶體管的第二絕緣層上采用磁控濺射的方法形成導(dǎo)電層，刻蝕出第一薄膜晶體管和第二薄膜晶體管的柵極、壓力傳感器和溫度傳感器的下電極；
[0025]S52:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法形成鈍化層；
[0026]S53:采用干法刻蝕工藝刻蝕出壓力傳感器的敏感區(qū)域，采用印刷或噴墨打印方法形成壓力傳感器的敏感層，再在敏感層上形成壓力傳感器的上電極。
[0027]優(yōu)選地，第一薄膜晶體管的源極和漏極之間的間距是2?20 μπι，第二薄膜晶體管的源極和漏極之間的間距是2?20 μ m。
[0028]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于:本發(fā)明提供的電子皮膚將壓力傳感器和溫度傳感器設(shè)置于柔性基板的兩側(cè)，可以同時(shí)測(cè)量壓力和溫度，具有柔性的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作電壓低、功耗小、靈敏度高、傳感器信號(hào)間的干擾小。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電子皮膚的剖面示意圖；
[0030]圖2是傳感器單元的等效電路圖；
[0031]圖3是傳感器單元的驅(qū)動(dòng)脈沖圖；
[0032]圖4是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電子皮膚的制備示意圖之一；
[0033]圖5是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電子皮膚的制備示意圖之二 ；
[0034]圖6是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電子皮膚的制備過程中的俯視圖；
[0035]圖7是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電子皮膚的溫度傳感器的連接示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面對(duì)照附圖并結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0037]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電子皮膚的剖面示意圖，該電子皮膚包括柔性基板50，柔性基板50上有第一薄膜晶體管、第二薄膜晶體管、壓力傳感器和溫度傳感器，其中壓力傳感器和溫度傳感器分別位于柔性基板的兩側(cè)，第一薄膜晶體管用于驅(qū)動(dòng)壓力傳感器，第二薄膜晶體管用于驅(qū)動(dòng)溫度傳感器。第一薄膜晶體管包括漏極11、源極12、柵極13、有源層14、第一絕緣層15和第二絕緣層16，第二薄膜管包括漏極21、源極22、柵極23、有源層24、第一絕緣層25和第二絕緣層26。漏極11、源極12、漏極21、源極22位于同一層，有源層14位于漏極11、源極12所在的層之上且與漏極11、源極12部分重疊，有源層24位于漏極21、源極22所在的層之上且與漏極21、源極22部分重疊，第一絕緣層15覆蓋在有源層14之上，第一絕緣層25覆蓋在有源層24之上，第二絕緣層16覆蓋在漏極11、源極12與第一絕緣層15之上，第二絕緣層26覆蓋在漏極21、源極22與第一絕緣層25之上，柵極13位于第二絕緣層16之上，柵極23位于第二絕緣層26之上。壓力傳感器包括下電極31、上電極32、壓力敏感層33和電極34，壓力傳感器的下電極31通過過孔70與第一薄膜晶體管的源極12相連，下電極31、第二絕緣層16和電極34構(gòu)成壓力傳感器的存儲(chǔ)電容，壓力敏感層33和上電極32的有效區(qū)域由鈍化層60限定。溫度傳感器包括下電極41、電極42、過孔43和電極44，溫度傳感器的電極42通過過孔80和過孔43與第二薄膜晶體管的源極22相連，電極44、第二絕緣層26和下電極41構(gòu)成溫度傳感器的存儲(chǔ)電容。優(yōu)選地，柔性基板的材料為10?50 μ m的聚酰亞胺；漏極11、源極12、柵極13、漏極21、源極22、柵極23、下電極31、上電極32、電極34、下電極41、電極42、電極44以及互聯(lián)的導(dǎo)電層可以選用金屬電極、透明導(dǎo)電電極、導(dǎo)電納米銀、碳納米管等；有源層14、24可以選用金屬氧化物半導(dǎo)體，如ZTO (氧化鋅錫)、IGZO (鎵銦酸鋅)等；第一絕緣層15、25可以選用S1x ;第二絕緣層16、26可以選用SiNx ;壓力敏感層33可以選用QTC材料、壓電材料或壓阻材料等，鈍化層60選用 SiNx0
[0038]該電子皮膚的傳感器單元可以通過掃描尋址來讀出壓力、溫度變化產(chǎn)生的電信號(hào)。傳感器單元的等效電路如圖2所示，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖如圖3所示。其中行電極110與第一薄膜晶體管Tl的柵極相連，行驅(qū)動(dòng)器130的信號(hào)為第一薄膜晶體管Tl提供掃描脈沖Vgate以選取行電極，第一薄膜晶體管Tl的源極和第二薄膜晶體管T2的源極連接到列電極120。壓力傳感單元等效為可變電阻R1，有觸摸時(shí)，電阻大小與壓力大小有關(guān)；沒有觸摸時(shí)，電阻很大，信號(hào)存儲(chǔ)在電容器Cl中；溫度傳感單元等效為隨溫度變化的可變電阻R2，信號(hào)存儲(chǔ)在電容器C2中。
[0039]結(jié)合圖2和圖3，當(dāng)Vgate為低時(shí)，第一薄膜晶體管Tl、第二薄膜晶體管T2截止，壓力傳感器和溫度傳感器都處于信號(hào)積分階段，若有觸摸行為或溫度發(fā)生變化時(shí)，壓力傳感單元或溫度傳感單元的電阻發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)電容通過相應(yīng)的傳感單元放電，節(jié)點(diǎn)Al或節(jié)點(diǎn)A2的電壓發(fā)生變化；當(dāng)Vgate為高時(shí)，第一薄膜晶體管Tl、第二薄膜晶體管T2導(dǎo)通，壓力傳感器和溫度傳感器都處于信號(hào)讀取階段，列電極120通過第一薄膜晶體管Tl、第二薄膜晶體管T2分別對(duì)電容器Cl、電容器C2充電，充電信號(hào)由列放大器140讀出。<