【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于電子信息傳感，具體涉及一種用雙晶體管集成壓電電容雙模式傳感器及其識別接近和接觸信號的方法。
技術(shù)介紹
1、接近傳感和接觸傳感在物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。以人機(jī)交互環(huán)境為例，基于接近傳感器，機(jī)器人可發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)物的靠近，從而采取可能的應(yīng)對措施，避免不必要的碰撞。理論上任何的長程相互作用，如磁場、靜電、超聲、光等，都可應(yīng)用于接近傳感器件的設(shè)計中。而接觸傳感則可量化目標(biāo)物與機(jī)器人之間的作用力，方便機(jī)器人對目標(biāo)物進(jìn)行各類操作。常見的接觸傳感原理包括壓電式、壓阻式、電容式等。近年來研究人員致力于開發(fā)多種傳感功能合一的多模式傳感器件，比如將接近傳感和接觸傳感功能整合至一個器件中，極大簡化器件加工工藝并提升了器件集成性。專利技術(shù)人所在團(tuán)隊前期工作將壓電器件與薄膜晶體管器件集成，構(gòu)建了壓電晶體管二合一傳感器件，借助帶電目標(biāo)物與晶體管之間的靜電感應(yīng)導(dǎo)致的晶體管閾值電壓漂移，實現(xiàn)接近傳感功能；而壓電組件則可將接觸信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枏亩T導(dǎo)晶體管閾值電壓漂移，實現(xiàn)力傳感功能。詳見研究論文amulti-functional?flexible?ferroelectric?transistor?sensor?forelectronic?skin,advanced?materials?interfaces,8(2021)2101166和ferroelectricpolarization?enhancement?of?proximity?sensing?performance?in?oxidesemiconductor?
2、基于以上原因，本專利技術(shù)提出一種雙晶體管集成壓電電容雙模式傳感器的識別接近和接觸信號的方法，具體為將帶有上下電極的壓電電容器件與兩個場效應(yīng)晶體管器件集成構(gòu)成雙拓展柵晶體管結(jié)構(gòu)，壓電電容器件作為接近和接觸信號的傳感端。壓電電容器件頂電極與雙柵晶體管一柵極電連接且兩者通過開關(guān)電路與地連接。通過開關(guān)電路周期性開/關(guān)過程中接近傳感與接觸傳感源漏電流信號響應(yīng)規(guī)律的差異，實現(xiàn)接近傳感和接觸傳感信號的有效區(qū)分。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提供一種雙晶體管集成壓電電容雙模式傳感器及其識別接近和接觸信號的方法，以解決壓電晶體管接近/接觸二合一傳感器件中如何有效區(qū)分接近和接觸信號的問題。
2、本專利技術(shù)首先構(gòu)建具有雙拓展柵結(jié)構(gòu)的壓電晶體管接近/接觸雙模式傳感器件，具體是將兩個場效應(yīng)晶體管與壓電電容組合，將壓電電容的兩個電極作為接近和接觸信號的傳感端；然后，對接近/接觸雙模式傳感器工作過程中接近和接觸信號進(jìn)行識別；其中：
3、所述場效應(yīng)晶體管，由柵極、源極、漏極、柵介質(zhì)層和半導(dǎo)體構(gòu)成；
4、所述壓電電容，由頂電極、壓電體、底電極構(gòu)成，其中壓電電容器件中相對處于空間中頂部的定義為頂電極；
5、壓電電容的頂電極和底電極分別與兩個場效應(yīng)晶體管的柵極電連接，兩個場效應(yīng)晶體管源極接地，漏極接直流偏壓，源漏電流由電流測量設(shè)備測量并記錄；參見圖1所示。
6、進(jìn)一步地：
7、所述場效應(yīng)晶體管中，半導(dǎo)體為各類硅、氧化物或有機(jī)及二維半導(dǎo)體材料，柵介質(zhì)為各類有機(jī)或無機(jī)介質(zhì)層材料，源漏柵電極為各類金屬、導(dǎo)電氧化物或?qū)щ娋酆衔锊牧稀?/p>
8、所述壓電電容中，壓電體為展現(xiàn)壓電性能的無機(jī)晶體、陶瓷、聚合物或小分子壓電材料，壓電電極為導(dǎo)電的金屬、聚合物或氧化物材料。
9、本專利技術(shù)構(gòu)建的雙晶體管集成壓電電容雙模式傳感器，用于接近和接觸信號的設(shè)別，目標(biāo)物為帶電物體，是帶有表面電位的絕緣物，或者是施加有電壓的導(dǎo)體。日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中很多常見絕緣物均帶有表面電位，如聚四氟乙烯、橡膠、塑料等。即使處在電中性的絕緣物也可通過人工手段使其帶電，比如摩擦帶電等。因而這里所監(jiān)測的目標(biāo)物具有普遍性、廣泛性的特點。
10、本專利技術(shù)提供的壓電晶體管接近/接觸雙模式傳感器識別接近和接觸信號的方法，分為四個階段，參見圖2-4；具體為：
11、第一階段，不存在目標(biāo)物作用，兩個晶體管源漏電流都處于基態(tài)電流值；
12、第二階段，帶電目標(biāo)物從遠(yuǎn)處接近傳感端；
13、在目標(biāo)物靜電作用下，壓電電容頂電極和底電極上感應(yīng)同號電荷，分別與頂電極和底電極連接的兩個場效應(yīng)晶體管的柵極上感應(yīng)出與頂電極和底電極異號的電荷；柵極上感應(yīng)的電荷調(diào)控場效應(yīng)晶體管閾值電壓，加強(qiáng)或是抑制了半導(dǎo)體/柵介質(zhì)界面處導(dǎo)電溝道的形成，導(dǎo)致源漏電流改變，從而實現(xiàn)對目標(biāo)物接近的探測；
14、隨著目標(biāo)物離傳感端距離減小，源漏電流進(jìn)一步偏離基態(tài)電流；兩個晶體管的柵極上的感應(yīng)電荷是加強(qiáng)還是抑制半導(dǎo)體/柵介質(zhì)界面上導(dǎo)電溝道的形成取決于柵極上感應(yīng)電荷的多少和極性以及半導(dǎo)體類型；兩個柵極上都感應(yīng)正電荷，吸引n型半導(dǎo)體中多子在半導(dǎo)體/柵介質(zhì)界面處形成溝道，導(dǎo)致源漏電流增加；
15、在目標(biāo)物接近過程中，通過電流檢測裝置同時檢測兩個晶體管的源漏電流值，對比兩個場效應(yīng)晶體管的源漏電流值，則觀測到第2階段中兩個晶體管的源漏電流有相同變化趨勢。由此判斷目標(biāo)物處于接近傳感端的過程中；
16、第三階段，目標(biāo)物與傳感端接觸并施加作用力；
17、由于壓電體受到力的作用，在頂電極和底電極上感應(yīng)等量異號電荷，且頂電極和底電極上感應(yīng)電荷的極性依賴于壓電體的極化態(tài)取向；與頂電極和底電極相連的兩個晶體管柵極上則分別感應(yīng)與頂電極和底電極異號的電荷；柵極上的感應(yīng)電荷導(dǎo)致晶體管閾值電壓漂移，并促進(jìn)或抑制半導(dǎo)體/柵介質(zhì)界面處導(dǎo)電溝道的形成，從而導(dǎo)致源漏電流的增加或減小；溝道增強(qiáng)或是抑制依賴于柵極上感應(yīng)電荷的多少和極性以及半導(dǎo)體類型；源漏電流背離基態(tài)電流值的程度受作用力大小調(diào)控；
18、在目標(biāo)物接近過程中，通過電流檢測裝置同時檢測兩個晶體管的源漏電流值，對比兩個場效應(yīng)晶體管的源漏電流值，則觀測到第2階段中兩個晶體管的源漏電流有相反變化趨勢。由此判斷目標(biāo)物處于接觸傳感端的過程中；
19、第四階段，目標(biāo)物遠(yuǎn)離傳感端，其對場效應(yīng)晶體管源漏電流的調(diào)控效果忽略，此時源漏電流回歸至基態(tài)電流值。
20、由上可知，依據(jù)兩個場效應(yīng)晶體管源漏電流的變化趨勢相同或相反這一判據(jù)，可判斷壓電拓展柵晶體管二合一傳感器件是工作在接近傳感還是接觸傳感狀態(tài)；同時由于電流隨距離及作用力的改變，則可用來量化接近傳感及接觸傳感過程。
21、本專利技術(shù)所能感應(yīng)到的目標(biāo)物表面電位依賴于雙柵晶體管性能及目標(biāo)物和傳感端距離，所適用的表面電位絕對值介于0v-10kv之間，可以為0.1本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種雙晶體管集成壓電電容雙模式傳感器，其特征在于，由兩個場效應(yīng)晶體管與壓電電容組合構(gòu)成，壓電電容作為接近和接觸信號的傳感端，用于對接近/接觸雙模式傳感器工作過程中接近和接觸信號進(jìn)行識別；其中：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙晶體管集成壓電電容雙模式傳感器，其特征在于，所述場效應(yīng)晶體管中，半導(dǎo)體為硅、氧化物或有機(jī)及二維半導(dǎo)體材料，柵介質(zhì)為有機(jī)或無機(jī)介質(zhì)層材料，源漏柵電極為各類金屬、導(dǎo)電氧化物或?qū)щ娋酆衔锊牧稀?/p>
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙晶體管集成壓電電容雙模式傳感器，其特征在于，所述壓電電容中，壓電體為展現(xiàn)壓電性能的無機(jī)晶體、陶瓷、聚合物或小分子壓電材料，壓電電極為導(dǎo)電的金屬、聚合物或氧化物材料。
4.權(quán)利要求1所述雙晶體管集成壓電電容雙模式傳感器識別接近和接觸信號的方法，其特征在于，設(shè)別目標(biāo)物為帶電物體，具體是帶有表面電位的絕緣物，或者是施加有電壓的導(dǎo)體；設(shè)別過程分為四個階段，具體為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所用的表面電位絕對值介于0V至10kV之間；所能探測到的目標(biāo)物與傳感端間距為0-1m。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種雙晶體管集成壓電電容雙模式傳感器，其特征在于，由兩個場效應(yīng)晶體管與壓電電容組合構(gòu)成，壓電電容作為接近和接觸信號的傳感端，用于對接近/接觸雙模式傳感器工作過程中接近和接觸信號進(jìn)行識別；其中：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙晶體管集成壓電電容雙模式傳感器，其特征在于，所述場效應(yīng)晶體管中，半導(dǎo)體為硅、氧化物或有機(jī)及二維半導(dǎo)體材料，柵介質(zhì)為有機(jī)或無機(jī)介質(zhì)層材料，源漏柵電極為各類金屬、導(dǎo)電氧化物或?qū)щ娋酆衔锊牧稀?/p>
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙晶體管集成壓電電容雙模式傳...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱國棟，劉詩鑫，
申請(專利權(quán))人：復(fù)旦大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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