一种柔性光电压电一体式传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，具体涉及一种柔性光电压电一体式传感器及其制备方法。

背景技术

压电传感器的主要工作原理是具有压电效应的电介质在沿一定方向上受到外力作用变形时，会在内部产生极化，同时在它的两个相对表面上产生正负相反的电荷，当外界压力去掉后，又重新恢复到不带电的状态。

光电探测器的主要工作原理是光激发半导体材料中的光生载流子，光生载流子在内建电场的作用下扩散漂移形成光生电流，从而实现光到电的转换和探测。

基于氧化锌材料的压电传感器和光电探测器均已被证明具有良好的性能表现，但是如何制成基于氧化锌材料的柔性光电压电一体式传感器成为业内研发人员的一大难题。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种柔性光电压电一体式传感器及其制备方法。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

一种柔性光电压电一体式传感器，包括柔性衬底，所述柔性衬底表面结区生长有三维纳米结构，所述三维纳米结构表面覆盖有若干层石墨烯层，石墨烯层通过导电电极引出，所述柔性衬底底部设置有相适配的底电极。

进一步的，所述柔性衬底采用重掺的N型氧化硅片，晶向为(100)向。

进一步的，所述三维纳米结构为三维簇状氧化锌阵列。

进一步的，所述导电电极采用金电极，所述底电极采用铟镓合金电极，所述导电电极和底电极的厚度分别为50-500nm。

进一步的，所述石墨烯层的层数为1-10层。

本发明还公开了一种柔性光电压电一体式传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)提供一氧化硅片，对其进行湿法刻蚀减薄或使用深硅刻蚀进行减薄，得到柔性衬底；

2)在步骤1)所得柔性衬底表面旋涂光刻胶，旋涂后进行烘干；

3)使用掩模版曝光结区，曝光后进行显影，暴露出结区；

4)对步骤3)所得柔性衬底进行湿法刻蚀或干法刻蚀；

5)在步骤4)所得柔性衬底上沉积籽晶层；

6)去除光刻胶，去除光刻胶后仅结区留有籽晶层，而后对柔性衬底进行退火处理；

7)在退火后的柔性衬底上旋涂电子束光刻胶，并进行曝光显影，获得结区的孔阵列，孔的间距通过掩膜图案的设计进行调控；

8)在结区孔阵列中生长三维纳米结构；

9)去除剩余的电子束光刻胶；

10)在三维纳米结构表面覆盖若干层石墨烯层；

11)使用掩模版遮挡结区，在石墨烯层表面蒸镀金作为导电电极，在柔性衬底底部涂抹铟镓合金电极作为底电极。

进一步的，步骤1)中，使用浓度为30％-60％的KOH溶液进行湿法刻蚀减薄，反应温度为60-90℃，减薄后的柔性衬底的厚度为10-100μm。

进一步的，步骤5)中，使用磁控溅射镀膜机在步骤4)所得柔性衬底5上沉积厚度为50-500nm的ZnO籽晶层，溅射功率<100w。

进一步的，步骤6)中，退火温度为300℃，退火时间为30-60min。

进一步的，步骤8)中，使用水热生长法在结区孔阵列中生长氧化锌，生长温度为100±5℃，常压，生长时间为2-48h，单孔中生长的氧化锌为簇状氧化锌，水热生长法使用的溶液为六水合硝酸锌配环六亚甲基四胺。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开了一种柔性光电压电一体式传感器及其制备方法，利用柔性衬底实现了器件的柔性弯曲，利用三维簇状氧化锌阵列的构建实现了更高的器件柔韧性，同时增强了陷光作用；利用石墨烯层作为顶层透明电极，在压电传感器中可以有效收集分离的电荷，在光电探测器中，石墨烯作为异质结的一部分用于光生载流子分离，实现光电探测；器件中三维氧化锌纳米结构的密度和长度均可调节，以调节器件的压电性能，能够匹配不同的压力传感探测的需求，通过调控石墨烯层的层数可调控器件对红外光的探测能力；本发明实现了光电压电一体式传感器的构建，工艺简单，适合工业化推广使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明的扫描电镜图。

具体实施方式

下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

如图1-3所示，一种柔性光电压电一体式传感器，包括柔性衬底5，柔性衬底5表面结区内生长有三维纳米结构，该结区边缘形成表层氧化硅2，该三维纳米结构优选为三维簇状氧化锌阵列3，三维簇状氧化锌阵列3表面覆盖有若干层石墨烯层4，石墨烯层4搭在表层氧化硅2上，并通过导电电极1引出，柔性衬底5底部设置有相适配的底电极6。

一种柔性光电压电一体式传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)提供一氧化硅片，对其使用碱溶液进行湿法刻蚀减薄或使用深硅刻蚀进行减薄，得到柔性衬底5，反应过程中应当对氧化硅层进行保护。使用湿法刻蚀时，碱溶液优选使用KOH溶液，KOH溶液的浓度为30％-60％，优选浓度为50％，反应温度为60-90℃，最后得到的硅片厚度在10-100μm；

2)在步骤1)所得柔性衬底5表面旋涂光刻胶，选用正胶，旋涂后进行烘干，烘干条件为100±5℃，>1min；

3)使用掩模版曝光结区，曝光时间及结区面积根据实际需求进行灵活设置，待曝光后进行显影，暴露出结区；

4)对步骤3)所得柔性衬底5使用HF溶液进行湿法刻蚀或RIE进行干法刻蚀，直至结区中的氧化硅全部消失；

5)使用磁控溅射镀膜机在步骤4)所得柔性衬底5上沉积厚度为50-500nm的ZnO籽晶层，溅射功率<100w；

6)使用丙酮浸泡去除光刻胶，去除光刻胶后仅结区留有ZnO籽晶层，而后对柔性衬底5进行退火处理，退火的目的是提高ZnO籽晶层的结晶质量，退火温度为300℃，退火时间为30-60min；

7)在退火后的柔性衬底5上旋涂电子束光刻胶，选用正胶，并进行曝光显影，获得结区的孔阵列，孔的间距可通过掩膜图案的设计进行调控；

8)使用水热生长法在结区孔阵列中生长氧化锌，形成三维簇状氧化锌阵列3，由于(100)向硅与氧化锌晶格不完全适配，因而单孔中生长的氧化锌为簇状氧化锌。本步骤中，水热生长法使用的溶液为六水合硝酸锌配环亚六甲基四胺，生长温度为100±5℃，常压，生长时间为2-48h；

9)使用乙醇和丙酮分别浸泡去除剩余的电子束光刻胶；

10)采用标准PMMA转移法将石墨烯层4转移至结区表面，石墨烯层4的面积应当大于结区面积，并覆盖三维簇状氧化锌阵列3表面。其中，石墨烯层4的层数影响器件对红外光的探测能力和导电能力，建议层数为1-10层，优选为3层；

11)使用掩模版遮挡结区，在石墨烯层4四周表面蒸镀金作为导电电极1，导电电极1的厚度为50-500nm，在柔性衬底5底部涂抹厚度50-500nm的铟镓合金电极作为底电极6。

本发明的工作原理为：

压电部分：结区在外力作用或衬底弯曲产生的形变作用下，簇状氧化锌向四周展开产生形变，由于晶体结构的非中心对称性，簇状氧化锌两端将产生正负相反的电荷，正负电荷分别被覆盖表面的石墨烯层4和重掺硅捕获，由导电电极1导出形成感应电流；

光电部分：石墨烯具有优良的导电性能，而且对红外光特别是通讯波段的光具有良好的光吸收能力。石墨烯层4覆盖在簇状氧化锌表面形成褶皱，从而实现良好的陷光效果，当红外光入射时，石墨烯层4产生光生载流子，在n型氧化锌和p型石墨烯构建的异质结中分离为电子和空穴，分别被底部重掺硅(与电极6)和顶部石墨烯层4(与导电电极1)捕获导出电流。而紫外波段的光入射时，能够使簇状氧化锌产生光生载流子，同样也能被异质结分离收集产生电流，实现光电探测。

由图3可知，三维簇状氧化锌阵列3表面搭载了石墨烯层4并形成了良好的陷光褶皱结构。

本发明得益于极薄的柔性衬底5，传感器器件能够实现较好的柔性，通过合理的结构设计，让器件能够同时实现光电和压电的一体探测，为可穿戴器件的进一步发展提供了蓝图。

实施例1

如图1-3所示，一种柔性光电压电一体式传感器，包括柔性衬底5，柔性衬底5表面结区生长有三维簇状氧化锌阵列3，三维簇状氧化锌阵列3表面覆盖有若干层石墨烯层4，石墨烯层4搭在柔性衬底5表面结区边缘的表层氧化硅2上，并通过导电电极1引出，柔性衬底5底部设置有相适配的铟镓合金电极作为底电极6。

一种柔性光电压电一体式传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)提供一重掺的N型氧化硅片，其晶向为(100)向，对重掺的N型氧化硅片使用KOH溶液进行湿法刻蚀减薄或使用深硅刻蚀进行减薄，得到柔性衬底5，反应过程中应当对氧化硅层进行保护。使用湿法刻蚀时，KOH溶液的浓度为50％，反应温度为90℃，最后得到的硅片厚度在100μm；

2)在步骤1)所得柔性衬底5表面旋涂光刻胶，选用正胶，旋涂速度为800转/分，旋涂后进行烘干，烘干条件为100℃、1min；

3)使用掩模版曝光结区，曝光时间为0.2s，此处结区为直径2mm的圆，曝光后进行显影，暴露出结区；需要说明的是，曝光时间和所使用设备相关，用户可根据实际需求进行灵活设置，结区无面积要求；

4)对步骤3)所得柔性衬底5使用浓度为5％的HF溶液进行湿法刻蚀或RIE进行干法刻蚀，直至结区中的氧化硅全部消失；

5)使用磁控溅射镀膜机在步骤4)所得柔性衬底5上沉积厚度为50nm的ZnO籽晶层，溅射功率<100w；

6)使用丙酮浸泡去除光刻胶，去除光刻胶后仅结区留有ZnO籽晶层，而后对柔性衬底5进行退火处理，退火的目的是提高ZnO籽晶层的结晶质量，退火温度为300℃，退火时间为30min；

7)在退火后的柔性衬底5上旋涂电子束光刻胶，选用正胶，并进行曝光显影，获得结区的孔阵列，孔的间距可通过掩膜图案的设计进行调控；

8)使用水热生长法在结区孔阵列中生长氧化锌，形成三维簇状氧化锌阵列3，因存在晶格不完全适配，单孔中生长的氧化锌为簇状氧化锌。本步骤中，水热生长法使用的溶液为六水合硝酸锌配环六亚甲基四胺，生长温度为100℃，常压，生长时间为24h；

9)使用乙醇和丙酮分别浸泡去除剩余的电子束光刻胶；

10)采用标准PMMA转移法将石墨烯层4转移至结区表面，石墨烯层4的面积应当大于结区面积，并覆盖三维簇状氧化锌阵列3表面。其中，石墨烯层4的层数影响器件对红外光的探测能力和导电能力，建议层数为1-10层，优选为3层；

11)使用掩模版遮挡结区，在石墨烯层4四周表面蒸镀一层金作为顶层的导电电极1，导电电极1的厚度为100nm，在柔性衬底5底部涂抹厚度50-500nm的铟镓合金电极作为底电极6。

本发明未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。