基于氧化物纳米线的压力传感器结构及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于氧化物纳米线的压力传感器结构及其制备方法。

背景技术

压力传感器(Pressure sensor)是一种通过感应压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成电信号输出的器件。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。目前用于实现压力传感的材料主要为压电材料。其中陶瓷类材料具有非常高的压电系数成为实现压力转化的最佳选择。但是由于这类材料在完成极化时需要高温、高压等严苛的条件，从而限制了其在薄膜晶体管(TFT)显示面板等低温制备工艺中的应用；另一类研究比较多的压电材料为聚偏二氟乙烯膜(PVDF)，同样的问题是为了实现相对高的灵敏度及压电系数，在该类材料制备时需要高温和高电场的作用，这也限制了与TFT集成中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于氧化物纳米线的压力传感器结构及其制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于氧化物纳米线的压力传感器结构，包括：

衬底；

底电极，设置在衬底上；

种子层，设置在底电极上；

氧化物纳米线，设置在种子层上；

支撑层，设置在氧化物纳米线上；以及

顶电极，设置在支撑层上。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种基于氧化物纳米线的压力传感器结构的制备方法，包括：

在衬底上制备底电极；

在底电极上制备种子层；

在种子层上制备纳米孔材料；

在纳米孔材料中制备氧化物纳米线；

在氧化物纳米线上制作支撑层；以及

在支撑层上制作顶电极。

基于上述技术方案可知，本发明的基于氧化物纳米线的压力传感器结构及其制备方法相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分：

1、本发明提供的压力传感器，工艺比较简单，可以推广到制作多种具有压力感应效应材料的压力传感器；

2、相对于传统的压电材料而言的，如陶瓷类材料的压力传感器，一般制备温度在1000K以上，而本发明实现了在低温(70-100℃)下制备压力传感器的技术；

3、相对于传统的材料(如聚合物类材料)需要在高的极化电场(600V)才能实现压力传感的特性，而本发明实现了压力传感器在较低电压(3-5V)操作下实现压力传感的特性；

4、本发明的压力传感器器件制作简单，成本低；

5、本发明制作的压力传感具有低能耗的特点。

附图说明

图1本发明实施例中氧化锌纳米线压力传感器的结构示意图；

图2本发明实施例中纳米孔材料的剖面结构示意图；

图3本发明实施例中纳米孔材料的俯视方向结构示意图；

图4本发明实施例中ZnO NWs制备工艺流程示意图。

附图标记说明：

100-衬底；200-底电极；300-种子层；400-纳米孔材料；500-氧化锌纳米线层；600-支撑层；700-顶电极。

具体实施方式

以下，将参照附图及实施例对本发明进行详细描述，以辅助本领域技术成员充分地理解本发明的目的、特征和效果。附图中展示了本发明的示例性实施方式，但应当理解，本申请中还能以其他各种形式实现，不应被此处阐述的实施方式所限制。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。另外，本发明以下提供的各个实施例以及实施例中的技术特征可以以任意方式相互组合。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本发明提供了一种ZnO NWs压力传感器的结构及制作方法。该技术对柔性电子皮肤、高灵敏的机械手臂以及显示面板中压力集成方案的实现具有重要的意义。在本发明中，使用一种多孔材料作为生成纳米线的模具，通过一种新的工艺生长氧化锌纳米线(ZnONWs)作为压力传感单元，从而实现压力传感技术。

本发明公开了一种基于氧化物纳米线的压力传感器结构，包括：

衬底；

底电极，设置在衬底上；

种子层，设置在底电极上；

氧化物纳米线层，设置在种子层上；

支撑层，设置在氧化物纳米线上；以及

顶电极，设置在支撑层上。

在本发明的一些实施例中，所述氧化物纳米线层采用的材料包括氧化锌纳米线；

在本发明的一些实施例中，所述氧化物纳米线层的厚度为100至200nm。

在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括玻璃或者氧化硅；厚度为300至500μm；

在本发明的一些实施例中，所述底电极采用的材料包括Mo或Au，厚度为50至200nm。

在本发明的一些实施例中，所述支撑层采用的材料包括SU-8光刻胶；

在本发明的一些实施例中，所述顶电极采用的材料包括Ti/Au，所述顶电极的厚度为100至500nm。

本发明公开了一种氧化物纳米线压力传感器的制备方法，包括：

在衬底上制备底电极；

在底电极上制备种子层；

在种子层上制备纳米孔材料；

在纳米孔材料中制备氧化物纳米线层；

在氧化物纳米线层上制作支撑层；以及

在支撑层上制作顶电极。

在本发明的一些实施例中，制备所述氧化物纳米线层的温度为70至100℃，例如可以为70℃、80℃、90℃、100℃；

在本发明的一些实施例中，在制备纳米孔材料步骤中，所述纳米孔材料是通过转移法制备得到的；

在本发明的一些实施例中，所述种子层采用的材料为ZnO，厚度为5至10nm。

在本发明的一些实施例中，制备所述底电极采用的方法包括磁控溅射法；

在本发明的一些实施例中，制备所述种子层采用的方法包括磁控溅射法；

在本发明的一些实施例中，制备所述支撑层采用的方法包括旋涂法；

在本发明的一些实施例中，制备所述顶电极采用的方法包括电子束蒸发法。

在本发明的一些实施例中，所述氧化物纳米线层采用的材料包括氧化锌纳米线；

在本发明的一些实施例中，所述氧化物纳米线层的厚度为100至200nm。

在本发明的一些实施例中，所述纳米孔材料的孔径为5至10nm；

在本发明的一些实施例中，所述纳米孔材料为Al

在本发明的一些实施例中，所述纳米孔材料的厚度为100至200nm。

在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括玻璃或者氧化硅；厚度为300至500μm；

在本发明的一些实施例中，所述底电极采用的材料包括Mo或Au，厚度为50至200nm；

在本发明的一些实施例中，所述支撑层采用的材料包括SU-8光刻胶；

在本发明的一些实施例中，所述顶电极采用的材料包括Ti/Au，所述顶电极的厚度为100至500nm。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

本实施例提供了一种氧化锌纳米线(ZnO NWs)压力传感器，如图1-3所示，所述传感器结构包括：

绝缘层衬底100；

金属底电极200；

ZnO种子层300；

压力感应层，即氧化锌纳米线层500；

支撑层600；

顶电极700；

其中，绝缘层衬底100为玻璃或者氧化硅衬底，厚度为300μm-500μm；

其中，金属底电极200为金属Mo或者Au等，厚度为50nm-200nm；

其中，ZnO种子层300为ZnO薄膜，厚度为5nm-10nm；

其中，氧化锌纳米线层500为多根ZnO纳米线等，厚度为100-200nm；

其中，支撑层600为SU-8光刻胶；

其中，顶电极700为Ti/Au金属，厚度为100nm-500nm。

本实施例提供了一种ZnO NWs传感器的制备方法，其制备过程如下：

步骤1：在绝缘层衬底100上，通过磁控溅射生长一层50nm-200nm的Mo或Au作为ZnONWs的底电极200，如图4中(1)图所示。

步骤2：在底电极200上通过磁控溅射的方法生长一层5nm-10nm的ZnO薄膜作为种子层300，如图4中(2)图所示。

步骤3：在ZnO薄膜种子层300上通过转移的方法将厚度约为100nm-200nm的Al

步骤4：将具有Al

步骤5：将生长好的ZnO NWs样品置于氯化铜溶液中浸泡去除Al

步骤6：使用SU-8光刻胶作为支撑层600材料，旋涂在生长完毕的ZnO NWs四周，使用240-260摄氏度的温度在空气中烘烤25-50分钟完成SU-8光刻胶的固化，如图4中(6)图所示。

步骤7：使用ICP(感应耦合等离子)刻蚀技术，将多余的SU-8光刻胶去除，露出ZnONWs，如图4中(7)图所示。

步骤8：使用电子束蒸发的方式蒸发一层100nm-500nm的Ti/Au作为ZnO NWs的顶电极700，如图4中(8)图所示。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。