一种压电晶体管双模式传感器的接近和接触信号识别方法

本发明属于电子技术信息传感，具体涉及一种压电晶体管接近/接触双模式传感器工作过程中接近和接触信号的识别方法。

背景技术：

1、接近传感和接触传感在物联网、可穿戴设备、机器人等领域有着广泛应用前景。以人机交互环境为例，基于接近传感器，机器人可发现并跟踪目标物的靠近，从而采取可能的应对措施，避免不必要的碰撞。理论上任何的长程相互作用，如磁场、静电、超声、光等，都可应用于接近传感器件的设计中。而接触传感则可量化目标物与机器人之间的作用力，方便机器人对目标物进行各类操作。常见的接触传感原理包括压电式、压阻式、电容式等。近年来研究人员致力于开发多种传感功能合一的多模式传感器件，比如将接近传感和接触传感功能整合至一个器件中，极大简化器件加工工艺并提升了器件集成性。申请人前期工作将压电器件与薄膜晶体管器件集成，构建了压电晶体管二合一传感器件，借助带电目标物与晶体管之间的静电感应导致的晶体管阈值电压漂移，实现接近传感功能；而压电组件则可将接触信号转变为电压信号从而诱导晶体管阈值电压漂移，实现力传感功能。详见研究论文a multi-functional flexible ferroelectric transistor sensor for electronicskin,advanced materials interfaces,8(2021)2101166和ferroelectric polarizationenhancement of proximity sensing performance in oxide semiconductor field-effect transistors,acs applied electronic materials,2(2020)3443等。然而，在压电晶体管二合一传感器件中，由于接近传感和接触传感信号均由晶体管源漏电流来反馈，导致接近和接触传感信号无法有效区分，也即尽管该二合一器件能够感应到带电物体的靠近及接触，但无法区分所探测信号是源自接触还是接近过程。这极大限制了压电晶体管二合一传感器件的应用。

2、基于以上原因，申请人提出一种压电晶体管接近/接触双模式传感器中接近和接触信号的识别方法，具体为将带有上下电极的压电电容器件与双栅晶体管器件集成构成拓展栅晶体管结构，压电电容器件作为接近和接触信号的传感端。压电电容器件顶电极与双栅晶体管一栅极电连接且两者通过开关电路与地连接。通过开关电路周期性开/关过程中接近传感与接触传感源漏电流信号响应规律的差异，实现接近传感和接触传感信号的有效区分。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种压电晶体管双模式传感器的接近和接触信号识别方法，以解决压电晶体管接近/接触二合一传感器件中如何有效区分接近和接触信号的问题。

2、本发明提供的压电晶体管接近/接触双模式传感器工作过程中接近和接触信号的识别方法，首先，构建具有拓展栅结构的双栅压电晶体管接近/接触双模式传感器件，具体是将双栅压电晶体管与压电电容组合，将压电电容作为接近和接触信号的传感端；然后，双模式传感器工作过程中接近和接触信号进行识别；其中：

3、所述双栅压电晶体管，由第一栅极1、第二栅极2、源极、漏极、第一栅介质1、第二栅介质2和半导体构成；

4、所述压电电容作为双模式传感器的传感端，由第一电极1、压电体、第二电极2构成，其中压电电容器件中靠近带电目标物的电极定义为第一电极1；

5、压电电容第一电极1与双栅晶体管第一栅极1电连接，且两者经由开关电路与地电连接；压电电容第二电极2与双栅晶体管第二栅极2连接；双栅晶体管源极接地，漏极接直流偏压；源漏电流由电流测量设备测量并记录；参见图1所示；

6、所述开关电路泛指那些能够控制第一栅极1和电极1与地周期性电连接的电路系统，包括继电器或其它可实现这一功能的电路系统；开关电路的开态定义为第一栅极1和第一电极1不与地连接，而开关电路的关态则是指第一栅极1与第一电极1与地电连接。

7、压电电容第一电极1的面积应大于等于第二电极2面积，以保证第一电极1接地后能完全屏蔽目标物对第二电极2的静电作用。

8、目标物为带电物体，可以是带有一定表面电位的绝缘物，也可是施加有电压的导体。日常生活及工业生产中很多常见绝缘物均带有表面电位，如聚四氟乙烯、橡胶、塑料等。即使处在电中性的绝缘物也可通过人工手段使其带电，比如摩擦带电等。因而这里所监测的目标物具有普遍性、广泛性的特点。

9、本发明提供的压电晶体管接近/接触双模式传感器工作过程中接近和接触信号的识别方法，参见图2-6；具体步骤如下。

10、(1)第1阶段，不存在目标物作用，双栅晶体管源漏电流处于基态电流值。

11、(2)第2阶段，带电目标物从远处接近传感端；

12、(2.1)开关电路处于开态时，在目标物静电作用下，压电电容第一电极1和电容2上感应等量异号电荷，分别与第一电极1和第二电极2连接的双栅晶体管的第一栅极1和第二栅极2上则分别感应出与第一电极1和第二电极2异号的电荷；第一栅极1和第二栅极2上感应的电荷调控双栅晶体管阈值电压，加强或是抑制了半导体/栅介质界面处导电沟道的形成，导致源漏电流改变，从而实现对目标物接近的探测；随着目标物离传感端距离减小，源漏电流进一步偏离基态电流；第一栅极1和第二栅极2上的感应电荷是加强还是抑制半导体/栅介质界面上导电沟道的形成取决于第一栅极1和第二栅极2上感应电荷的多少和极性以及半导体类型；附图3所示为n型半导体、目标物表面电位为正且开关处于开态时的情况；第一栅极1和第二栅极2上分别感应正、负电荷，吸引n型半导体中多子(电子)在半导体/栅介质1界面处形成沟道，导致源漏电流增加；

13、(2.2)开关电路处于关态时，第一电极1和第一栅极1接地，其上不出现感应电荷；且由于第一电极1对第二电极2的屏蔽作用，第二电极2和第二栅极2上也不会出现感应电荷；此时双栅晶体管对目标物的靠近无响应，晶体管源漏电流回归到基态电流值；附图4所示为n型半导体、目标物表面电位为正且开关处于关态时第一电极1、第二电极2、第一栅极1和第二栅极2上感应电荷情况及沟道形成情况；此时双栅晶体管未感受到目标物的静电作用，源漏电流归于基态电流值；

14、在目标物接近过程中，开关电路反复开/关，则观测到第2阶段中源漏电流的周期改变。

15、(3)第3阶段，目标物与传感端接触并施加作用力；

16、(3.1)开关电路处于开态时，由于压电体受到力的作用，在第一电极1和第二电极2上感应等量异号电荷，且第一电极1和第二电极2上感应电荷的极性依赖于压电体的极化态取向；与第一电极1和第二电极2相连的第一栅极1和第二栅极2上则感应与第一电极1和第二电极2异号的电荷；第一栅极1和第二栅极2上的感应电荷导致双栅晶体管阈值电压漂移，并促进或抑制半导体/栅介质界面处导电沟道的形成，从而导致源漏电流的增加(对应于沟道形成并增强)或减小(对应于沟道抑制甚至破坏)；沟道增强或是抑制依赖于第一栅极1和第二栅极2上感应电荷的多少和极性以及半导体类型；源漏电流背离基态电流值的程度受作用力大小调控；附图5所示为n型半导体、压电体受压在电极1感应负电荷、电极2感应正电荷时的情况；第一栅极1和第二栅极2上感应电荷促进了半导体/栅介质1界面处导电沟道的形成，使得源漏电流增加；

17、(3.2)开关电路处于关态时，由于第一栅极1和第一电极1接地，压电体受力形变并不能在第一栅极1和第一电极1上产生感应电荷；但与第2阶段中开关电路处于关态时情况不同的是，压电体受力形变在第二电极2和第二栅极2上仍旧产生感应电荷；第二电极2和第二栅极2上感应电荷极性相反，其具体极性依赖于压电体中极化状态；第二栅极2上感应电荷的存在同样会导致晶体管阈值电压漂移，从而导致源漏电流偏离基态电流值；而且，开关电路处于关态时仅有第二栅极2上感应电荷调控阈值电压漂移，而当开关电路处于开态时第二栅极2和第一栅极1上都有感应电荷调控晶体管阈值电压漂移，因而开态时晶体管阈值电压漂移程度大于关态时情况，也即开态时源漏电流背离基态电流程度更大；因而，在接触条件下，开关电路的开/关操作仍旧导致晶体管源漏电流的改变，但关态时源漏电流不会归于基态电流值；这一点不同于接近传感情况，后者在开关电路处于关态时源漏电流回归基态电流值；因而基于对开关电路关态时源漏电流是否回归基态电流，可用来区分接近和接触传感过程；附图6所示为n型半导体、压电体受压在第二电极2上感应正电荷的情况；第二栅极2上负感应电荷倾向于在半导体/栅介质1界面处形成导电沟道，从而导致源漏电流大于基态电流；但与附图5所示开关电路处于开态时源漏电流值相比，附图6中晶体管源漏电流略小于附图5中晶体管源漏电流；

18、在目标物接触传感端过程中，开关电路反复开/关，则观测到附图2第3阶段中源漏电流的周期改变。

19、(4)第4阶段，目标物远离传感端，其对双栅晶体管源漏电流的调控效果可忽略，此时源漏电流回归至基态电流值。

20、采用同样的分析方法，可分析目标物表面电位为负以及压电体极化态不同取向的情况。

21、由以上分析可知，依据开关电路处于关态时源漏电流是否回归基态电流值这一判据，可判断压电双栅晶体管二合一传感器件是工作在接近传感还是接触传感状态；而开关电路处于开态时电流随距离及作用力的改变，则可用来量化接近传感及接触传感过程。

22、本发明所能感应到的目标物表面电位依赖于双栅晶体管性能及目标物和传感端距离，所适用的表面电位绝对值介于0v-10kv之间，可以为0.1v-10kv；所能探测到的目标物与传感端间距依赖于目标物表面电位及晶体管性能，所适用的间距介于0-1m之间，可以为10μm-1m。

23、开关电路开关频率依赖于所用开关电路系统的响应频率、目标物靠近速度及目标物与传感端接触时间，通常为0-1khz。在目标物靠近传感端过程中，应能保证开关电路至少1个周期的开/关操作。在目标物与传感端接触过程中，也应能保证开关电路至少1个周期的开/关操作。

24、双栅晶体管构造中，半导体可为各类硅、氧化物、有机及二维半导体材料，栅介质可为各类有机、无机介质层材料，源漏栅电极可为各类金属、导电氧化物及导电聚合物材料等。

25、压电电容构造中，压电体可为各类展现压电性能的无机晶体、陶瓷、聚合物、小分子等压电材料，压电电极可为各类导电的金属、聚合物、氧化物等材料。