一種壓電薄膜傳感器、壓電薄膜傳感器電路及制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及壓電薄膜傳感器技術領域，尤其涉及一種壓電薄膜傳感器、壓電薄膜傳感器電路及制作方法。
【背景技術】
[0002]MEMS(微機電系統，Microelectro Mechanical Systems)是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。MEMS技術的發展為基于壓電薄膜和硅微加工技術的微傳感器和微執行器的研究帶來了巨大的機遇。尤其MEMS壓電薄膜傳感器具有低能耗、高靈敏度、易于與壓電微執行器集成等優點，使其在醫療，汽車電子，運動追蹤系統等領域具有很大的應用價值。
[0003]傳統的MEMS壓電薄膜傳感器基本上都基于硅芯片技術發展起來。其制作基底為硅片，技術路線均為典型的半導體技術制程。但是近年來，由于醫療和可穿戴設備的一些新產品催生了新型傳感器市場，這個市場將著眼于柔性傳感器的制作。并且目前國外已經開始進行相關的研究。
[0004]請參考圖1，圖1為現有的壓電薄膜傳感器的結構示意圖，在制作壓電薄膜傳感器的壓電薄膜層時，需要采用600°C?700°C的高溫真空爐(Oven)退火工藝，以完成壓電薄膜層的成相轉變，提高壓電薄膜傳感器的性能。通常情況下柔性襯底最多只能承受400°C的溫度，因此如何在柔性襯底上進行壓電薄膜的制作，成為高性能柔性壓電薄膜傳感器的技術難點。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本發明提供一種壓電薄膜傳感器、壓電薄膜傳感器電路及制作方法，以解決現有的壓電薄膜的退火工藝難以適用于柔性壓電薄膜傳感器的問題。
[0006]為解決上述技術問題，本發明提供一種壓電薄膜傳感器的制造方法，包括在基板上形成壓電薄膜的步驟，還包括:采用激光退火工藝對所述壓電薄膜進行激光退火，完成所述壓電薄膜的成相轉變的步驟。
[0007]優選地，采用激光退火工藝對所述壓電薄膜進行激光退火時，退火溫度為300°C?400。。。
[0008]優選地，采用激光退火工藝對所述壓電薄膜進行激光退火時，采用的激光的波長為10.6μπι，激光功率密度為490W/cm2，退火時長為25秒。
[0009]優選地，采用CO2激光器或YAG激光器產生激光退火工藝所用激光。
[0010]優選地，所述壓電薄膜采用鋯鈦酸鉛或鋯鈦酸鋇材料形成。
[0011]優選地，形成的所述壓電薄膜的厚度范圍為0.5?1.5μηι。
[0012]優選地，所述壓電薄膜傳感器的制造方法還包括:
[0013]形成所述壓電薄膜傳感器的上電極和下電極的步驟。
[0014]優選地，所述基板為柔性襯底基板。
[0015]本發明還提供一種壓電薄膜傳感器電路的制作方法，包括形成壓電薄膜傳感器的步驟；以及形成與所述壓電薄膜傳感器連接的薄膜晶體管的步驟，所述壓電薄膜傳感器采用上述方法形成。
[0016]優選地，所述壓電薄膜傳感器電路的制作方法具體包括:
[0017]在剛性襯底基板上形成柔性襯底基板；
[0018]在所述柔性襯底基板上形成所述薄膜晶體管的柵電極的圖形；
[0019]形成柵絕緣層；
[0020]形成所述壓電薄膜傳感器的下電極的圖形；
[0021]形成壓電薄膜，采用激光退火工藝對所述壓電薄膜進行激光退火，完成所述壓電薄膜的成相轉變，并采用光刻工藝對激光退火后的壓電薄膜進行構圖，形成壓電薄膜的圖形；
[0022]形成所述薄膜晶體管的有源層的圖形；
[0023]形成絕緣層的圖形；
[0024]形成所述薄膜晶體管的源電極和漏電極的圖形，其中，所述源電極和漏電極與所述有源層連接，且所述源電極或漏電極與所述壓電薄膜傳感器的下電極連接；
[0025]形成所述壓電薄膜傳感器的上電極的圖形；
[0026]將形成有所述薄膜晶體管和所述壓電薄膜傳感器的柔性襯底基板從所述剛性襯底基板上剝離。
[0027]本發明還提供一種壓電薄膜傳感器，采用上述壓電薄膜傳感器的制造方法制作而成。
[0028]本發明還提供一種壓電薄膜傳感器電路，采用上述壓電薄膜傳感器電路的制作方法制作而成。
[0029]優選地，所述電路具體包括:
[0030]柔性襯底基板；
[0031]薄膜晶體管的柵電極；
[0032]柵絕緣層；
[0033]壓電薄膜傳感器的下電極；
[0034]壓電薄膜傳感器的壓電薄膜；
[0035]薄膜晶體管的有源層；
[0036]絕緣層；
[0037]薄膜晶體管的源電極和漏電極，其中，所述源電極和漏電極與所述有源層連接，且所述源電極或漏電極與所述下電極連接；
[0038]壓電薄膜傳感器的上電極。
[0039]優選地，所述有源層使用聚3-己基噻吩材料或單壁碳納米管材料制成。
[0040]優選地，所述絕緣層采用聚對二甲苯材料制成。
[0041]本發明的上述技術方案的有益效果如下:
[0042]采用激光退火工藝對壓電薄膜進行激光退火，完成壓電薄膜的成相轉變。由于激光退火工藝可將退火溫度控制在300°C?400°C，因此該制作工藝在保證壓電薄膜的良好性能的同時，可應用于柔性壓電薄膜傳感器的制作。
【附圖說明】
[0043]圖1為現有的壓電薄膜傳感器的結構示意圖；
[0044]圖2為本發明一實施例的壓電薄膜傳感器電路的連接結構示意圖；
[0045]圖3為本發明一實施例的壓電薄膜傳感器電路的工作原理示意圖；
[0046]圖4A-4J為本發明一實施例的壓電薄膜傳感器電路的制作方法的示意圖；
[0047]圖5為激光退火前和經過激光退火后的PZT薄膜的X射線衍射圖譜。
【具體實施方式】
[0048]為解決在制作壓電薄膜傳感器時，采用6000C?700 V的高溫真空爐對壓電薄膜進行退火的工藝難以適用于柔性壓電薄膜傳感器的制作的問題，本發明提供一種壓電薄膜傳感器的制造方法，包括:
[0049]步驟Sll:在基板上形成壓電薄膜的步驟；以及
[0050]步驟S12:采用激光退火工藝對所述壓電薄膜進行激光退火，完成所述壓電薄膜的成相轉變的步驟。
[0051]優選地，采用激光退火工藝對所述壓電薄膜進行激光退火時，退火溫度為300°C?400。。。
[0052]由于激光退火工藝的退火溫度靈活可控，可將退火溫度控制在300°C?400°C，因此該制作工藝在保證壓電薄膜的良好性能的同時，可應用于柔性壓電薄膜傳感器的制作。
[0053]當然，上述激光退火工藝同樣適用于剛性壓電薄膜傳感器的制作，例如，采用硅芯片作為襯底基板的壓電薄膜傳感器的制作。
[0054]此外，所述壓電薄膜傳感器的制造方法除了包括制作壓電薄膜的步驟之外，還需要包括:形成所述壓電薄膜傳感器的上電極和下電極的步驟，其中，壓電薄膜位于上電極和下電極之間。
[0055 ]優選地，所述壓電薄膜可以采用鋯鈦酸鉛(Pb (Zr 0.5 2T i 0.48) 03，PZT)或鋯鈦酸鋇(Ba(Zr^TitL9)O3,BZT)材料形成。選用PZT制作壓電薄膜的優點在于:壓電系數較高，各項機電參數隨溫度，時間等外界條件的變化小，工作穩定性較強。選用BZT制作壓電薄膜的優點在于:具有較高的壓電系數和介電常數，漏電流非常小，無鉛材料，生物兼容性好。也就是說，選用PZT或BZT制作壓電薄膜，可以保證壓電薄膜傳感器的工作精度及高穩定性能。
[0056]優選地，上述制作方法形成的所述壓電薄膜的厚度范圍為0.5?1.5μηι(微米)，更優選地，為Ιμπι。形成的壓電薄膜的厚度較小，從而使得制作出的壓電薄膜傳感器更加輕薄，以適用于更多領域。
[0057]優選地，可以采用C02( 二氧化碳)激光器或YAG(Y3A15O15)激光器產生激光退火工藝所用激光。
[0058]優選地，采用激光退火工藝對所述壓電薄膜進行激光退火時，采用的激光的波長為10.6μ??，激光功率密度為490W/cm2，退火時長為25秒。
[0059]優選地，上述實施例中的基板為柔性襯底基板。
[0060]本發明還提供一種壓電薄膜傳感器電路的制作方法，包括:形成壓電薄膜傳感器以及與所述壓電薄膜傳感器連接的薄膜晶體管的步驟，其中，可采用上述任一實施例中所述方法形成壓電薄膜傳感器。
[0061]請參考圖2和圖3，圖2為本發明一實施例的壓電薄膜傳感器電路的連接結構示意圖，圖3為本發明一實施例的壓電薄膜傳感器電路的工作原理示意圖。從圖2中可以看出，薄膜晶體管30的柵電極與一信號線WL(Wordline)連接，源電極和漏電極其中之一與壓電薄膜傳感器40的一個電極連接，另一與信號線BL(bitline)連接。壓電薄膜傳感器40的一個電極與薄膜晶體管30連接，另一個電極與電源Vdd連接。壓電薄膜傳感器40中的壓電薄膜可在外部壓力下產生變形，從而使得壓電薄膜傳感器40產生電信號，或者，在電源Vdd向其施加電壓信號時，壓電薄膜產生變形，使得壓電薄膜傳感器40產生電信號。當WL為高電位時，薄膜晶體管打開，此時從信號線BL上就可以讀取壓電薄膜傳感器40的信號，或者將數據寫入壓電薄膜傳感器40。從圖3中可以看出，當源漏電壓(Vds)恒定時，當壓電薄膜傳感器被按壓(Withpre s s sure)時，隨著柵源電壓(Vgs )的增大，源漏電流(IDS)逐漸減小。
[0062]為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明提供的柔性壓電薄膜傳感器元件的結構及制作方法進行詳細描述。
[0063]請參考圖4A-4J，圖4A-4J為本發明一實施例的壓電薄膜傳感器電路的制作方法的示意圖，所述方法可以具體包括以下步驟:
[0064]步驟S21:請參考圖4A，在剛性襯底基板101上形成柔性襯底基板102;
[0065]所述剛性襯底基板101可以為玻璃、陶瓷等剛性襯底基板。本實施例中，柔性襯底基板102可以由PI(聚酰亞胺)材料制成，具體制作方法為:在剛性襯底基板101上涂覆一層PI，然后采用烘烤工藝對其進行烘烤，從而形成柔性襯底基板102。形成柔性襯底基板102之后，還需要對其進行清洗處理。
[0066]當然，在本發明的其他一些實施例中，柔性襯底基板的制作材料不限于PI，也可以采用其他柔性材料。
[0067]步驟S22:請參考圖4B，在所述柔性襯底基板102上形成薄膜晶體管的柵電極的圖形 103;
[0068]具體的，可采用磁控濺射工藝形成柵金屬薄膜，并使用光刻工藝(包括曝光、顯影以及刻蝕等步驟)對