一种多功能传感阵列及其制备方法和应用

1.本发明属于有机传感器件领域，尤其涉及一种多功能传感阵列及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来，制备对温度和压力具有感应功能的人工皮肤电子器件吸引了人们的关注。制备大规模传感器阵列是实现该类器件制造的重要方法之一。器件阵列由多个具有传感功能的微型基元器件组合而成，目前制备压力传感器所用的器件结构有电阻型、电容型、压阻型以及压电型等。
3.基于有机场效应晶体管(ofet)的压力传感阵列最近受到了人们的广泛关注，通过制备覆盖有金薄膜的阵列式金字塔型pdms源漏电极，ofet阵列可以对压力进行检测，并且对物体运动的轨迹进行分辨(liqiang li et al.,adv.mater.2019,31,1805630)。someya等人将导电橡胶与ofet结合，器件在受到压力时，会产生电流变化，使用该器件制备的传感阵列可以实现压力信号的空间分辨功能(takao someya et al.,proc.natl.acad.sci.u.s.a.2005,102,12321)。
4.目前基于ofet的压力传感阵列已经取得了较多的进展，也已成功应用于柔性可穿戴设备，然而其制备工艺仍然非常复杂，不利于大规模制备。并且这些传感阵列中单个的器件往往只具有单一的灵敏度，不能用于模拟真实皮肤的功能，如何快速一步制备具有不同灵敏度的多功能传感阵列是该领域面临的重要挑战之一。


技术实现要素：

5.针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种多功能传感阵列及其制备方法和应用。本发明采用具有多个源漏电极图案的阵列式掩模版，制备出了多个顶栅有机场效应晶体管器件组成的阵列，并通过调控飞秒激光制备参数，得到了具有不同灵敏度的器件，使得传感阵列具有多模态的压力检测性能。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种多功能传感阵列，通过在同一平面上制备多个传感器电极图案来组成n
×
n(n＝1，2，3
……
)的矩形阵列或其他由n(n＝1，2，3
……
)个器件按照一定图形规律排列的传感阵列。
8.单个所述传感器包括：
9.基底；
10.源电极和漏电极，所述源电极和漏电极分别设置于所述基底的两端，所述源电极和漏电极之间形成沟道区域；
11.有机半导体层，所述有机半导体层设置在所述源电极和漏电极之上，并能覆盖所述沟道区域；
12.介电层，设置于所述有机半导体层之上，且具有开口向上的槽结构；
13.浮栅电极，设置于所述介电层之上，且能覆盖所述槽结构。
14.上述一种多功能传感阵列的制备方法，包括如下步骤：
15.(1)首先在基底上制备源电极阵列和漏电极阵列，形成沟道区域，然后再在所得的沟道区域上制备一层有机半导体层，所述有机半导层的体材料为聚吡咯并吡咯烷酮衍生物(pdpp-tt)和聚噻吩异靛基衍生物(iiddt)中的至少一种；
16.(2)在步骤(1)所述机半导体层上制备一层介电层，然后将器件置于飞秒微加工平台，将飞秒激光的入射光线经物镜聚焦到介电层的表面，随后移动载物台，使光线以设定路径扫描介电层表面，在介电层上制备出槽结构，沟槽的长度为100～10000μm；
17.(3)将浮栅电极覆盖并固定在步骤(2)所述槽结构上，形成空气介电层，即制备得到所述多功能传感阵列。
18.优选的，步骤(1)中，源电极和漏电极的制备方法均选自真空热蒸镀、磁控溅射和等离子体增强的化学气相沉积中的一种。
19.优选的，步骤(1)中，源电极的厚度为10～300nm。
20.优选的，步骤(1)中，漏电极的厚度为10～300nm。
21.优选的，步骤(1)中，基底为硅片、玻璃、陶瓷和塑料中的一种。
22.优选的，步骤(1)中，源电极和漏电极的材料均选自金属、硅片、合金、金属氧化物、重掺杂半导体和导电聚合物中的一种。
23.优选的，所述金属为金、银、铝和铜中的一种。
24.优选的，所述合金为镁银合金、铂金合金和镍锌合金中的一种。
25.优选的，所述金属氧化物为氧化铟锡、二氧化锰和二氧化铅中的一种。
26.优选的，所述重掺杂半导体为磷掺杂的硅、硼掺杂的硅和砷掺杂的硅中的一种；磷、硼或砷的掺杂质量百分浓度均为1～3％。
27.优选的，所述导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩中的一种。
28.优选的，步骤(1)中，有机半导体层的制备方法为旋涂、提拉和蒸镀中的一种。
29.更优选的，步骤(1)所述有机半导体层的制备方法为旋涂，具体步骤为：在所得的沟道区域上涂覆一层有机半导体材料，经退火处理后，制得一层有机半导体层；更优选的，所述退火处理的温度为50～300℃，时间为1～30min。
30.优选的，步骤(1)所述有机半导体材料的涂覆厚度为10～100nm。
31.优选的，步骤(2)中，介电层的制备方法选自化学气相沉积、旋涂、甩膜、热氧化或真空蒸镀中的一种。
32.优选的，步骤(2)中，介电层的材质为pmma、pdms、ps和pvp中的一种。
33.优选的，步骤(2)中，介电层的厚度为10～50μm。
34.优选的，步骤(2)中，飞秒激光加工参数包括：飞秒激光重频为1khz～10mhz、飞秒激光脉宽为5～1000fs、飞秒激光能量密度为0.1j/cm2～100j/cm2、中心波长为50～2000nm、物镜的数值孔径为na0.05～na2.0以及载物台移动速度为10000～500000μm/s。
35.优选的，步骤(3)中，浮栅电极为有ito涂层的pet薄片、金属涂层的聚酰亚胺薄片、金属薄片和导电聚合物中的一种。
36.优选的，步骤(3)中，浮栅电极的厚度为10～500μm。
37.所述一种多功能传感阵列在人工皮肤、压力感知矩阵和人机交互界面中的应用。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
39.(1)本发明以浮栅型ofet压力传感器为基础，通过改变飞秒激光加工参数，能制备出具有不同几何尺寸的空气介电层，可对器件的压力传感灵敏度进行有效地调控，以满足不同应用场景的需求。
40.(2)此外，本发明设计了具有多个源漏电极图案的阵列式掩模版，制备出了由多个浮栅ofet压力传感器组成的阵列，利用飞秒激光加工技术，能在同一芯片上一步制备多个具有不同压力传感灵敏度的器件，使得阵列上各个区域的灵敏度各不相同，能更好模拟人工皮肤的压力感知模式，具有较大的应用前景。
附图说明
41.图1为实施例在制备传感阵列的源漏电极时，所使用的掩模版的结构示意图。
42.图2为实施例1制备的传感阵列用于检测物体移动轨迹的示意图，图2中右下角的虚线箭头代表硅片按照箭头所示的路径移动。
43.图3为实施例1制备的传感阵列的电流变化二维图像。
44.图4为实施例2制备的多功能传感阵列的器件结构示意图。
45.图5为实施例2制备的多功能传感阵列中沟槽长度不同的压力传感器件的照片图。
46.图6为沟槽宽度不同的压力传感器件在500pa压力下的源漏电流曲线。
47.图7为实施例2制备的多功能传感阵列对铬金属块的压力检测示意图。
48.图8为实施例2制备的多功能传感阵列对铬金属块的压力检测的电流变化三维图像。
49.图9为本发明所述单个所述传感器的截面结构示意图。
具体实施方式
50.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
51.实施例所述的pdpp-tt按照文献公开的方法制备得到：(y.li；s.p.singh；p.sonar.a high mobility p-type dpp-thieno[3,2-b]thiophene copolymer for organic thin-film transistors.adv.mater.2010,22,4862-4866.)。
[0052]
实施例所述的阵列包括4个矩阵，每个矩阵形式为2
×
2，即每个矩阵有4个单独的传感器。
[0053]
实施例在制备传感阵列的源漏电极时，所使用的掩模版的结构示意图见图1。从图1能够看出：多功能传感阵列由多个ofet器件组成。
[0054]
实施例1
[0055]
一种多功能传感阵列的制备方法，步骤如下：
[0056]
(1)首先将聚酰亚胺薄片(厚度250μm，购自深圳市润海电子有限公司)切割成5cm
×
5cm的小块基底。将切割好的基底分别用超纯水、丙酮、异丙醇超声清洗。
[0057]
(2)将步骤1中清洗干净的聚酰亚胺基底置于高真空热蒸发镀膜机中，使用机械泵和分子泵机组将真空度抽到5
×
10-4
pa以下，使用说明书附图1所示的掩模版蒸镀一层25nm
的金，作为有机场效应晶体管传感阵列的底部源、漏电极，该掩模版包含一个4
×
4的源漏电极阵列图案，通过一次蒸镀即可形成阵列的沟道区域。
[0058]
(3)将步骤2中制备好的器件置于于旋涂仪中固定，将pdpp-tt的氯仿溶液(浓度为4mg/ml)滴在器件表面，并以3000rpm的转速旋涂一层pdpp-tt有机半导体薄膜，厚度为25nm，随后在120℃下热退火10min去除剩余的溶剂，制得有机半导体层。
[0059]
(4)将步骤3中制备好的器件置于于旋涂仪中固定，将pmma的乙酸正丁酯溶液(浓度为200mg/ml)滴在器件表面并在表面以2000rpm的转速旋涂一层pmma聚合物薄膜，厚度为10μm，随后在90℃下热退火30min去除剩余的溶剂，得到介电层。
[0060]
(5)将步骤4中制备好的器件置于飞秒激光加工载物台上并固定，使用数值孔径为na0.4的物镜将飞秒激光光束导入到器件表面，飞秒激光波长为1080nm，重频为10khz，脉宽为188fs。按照设定路径在pmma介电层上进行划线扫描，线间距为1μm，在电脑程序上设定激光横向移动的距离为2000μm，从而在pmma介电层上制备出长度为2000μm的沟槽结构。随后使用同样的加工条件，对传感阵列中的其余器件进行加工。
[0061]
(6)将浮栅电极(ito涂覆的pet薄片，方阻25欧，购买于洛阳古洛玻璃有限公司)放置于阵列中的沟槽结构上并用铜胶带固定，即制备得到所述多功能传感阵列。
[0062]
将制备好的传感阵列放置于手背皮肤上固定，并按照一定轨迹将小块硅片(重量10mg)放置于阵列上，可以对物体的移动轨迹进行检测。
[0063]
图2为实施例1制备的传感阵列用于检测物体移动轨迹的示意图，图2中右下角的虚线箭头代表硅片按照箭头所示的路径移动。图3为实施例1制备的传感阵列的电流变化二维图像，从图2和图3能够看出：放置硅片的区域电流发生了变化，其二维图像显示出物体的运动轨迹，说明该传感阵列可以检测微小物体的运动路径。
[0064]
实施例2
[0065]
一种压力传感器的制备方法，步骤如下：
[0066]
(1)首先将聚酰亚胺薄片(厚度250μm，购自深圳市润海电子有限公司)切割成5cm
×
5cm的小块基底。将切割好的基底分别用超纯水、丙酮、异丙醇超声清洗。
[0067]
(2)将步骤1中清洗干净的聚酰亚胺基底置于高真空热蒸发镀膜机中，使用机械泵和分子泵机组将真空度抽到5
×
10-4
pa以下，使用说明书附图1所示的掩模版蒸镀一层25nm的金，作为有机场效应晶体管传感阵列的底部源、漏电极，该掩模版包含一个4
×
4的源漏电极阵列图案，通过一次蒸镀即可形成阵列的沟道区域。
[0068]
(3)将步骤2中制备好的器件置于于旋涂仪中固定，将pdpp-tt的氯仿溶液(浓度为3mg/ml)滴在器件表面，并以3000rpm的转速旋涂一层pdpp-tt有机半导体薄膜，厚度为25nm，随后在120℃下热退火10min去除剩余的溶剂，制得有机半导体层。
[0069]
(4)将步骤3中制备好的器件置于于旋涂仪中固定，将pmma的乙酸正丁酯溶液(浓度为200mg/ml)滴在器件表面并在表面以2000rpm的转速旋涂一层pmma聚合物薄膜，厚度为10μm，随后在90℃下热退火30min去除剩余的溶剂，得到介电层。
[0070]
(5)将步骤4中制备好的器件置于飞秒激光加工载物台上并固定，使用数值孔径为na0.4的物镜将飞秒激光光束导入到器件表面，飞秒激光波长为1080nm，重频为10khz，脉宽为188fs。按照设定路径在pmma介电层上进行划线扫描，线间距为1μm，在电脑程序上设定激光横向移动的距离为2000μm3000μm、4000μm和5000μm，从而在pmma介电层上制备出沟槽结
构，沟槽平面长度为2000μm、3000μm、4000μm和5000μm。
[0071]
图4为实施例2制备的多功能传感阵列的器件结构示意图，图5为实施例2制备的多功能传感阵列中沟槽长度不同的压力传感器件的照片，可以看到该传感阵列上不同区域的压力传感器的沟槽长度不同，这可以对压力传感器的传感灵敏度进行调控。
[0072]
(6)将浮栅电极(ito涂覆的pet薄片，方阻25欧，购买于洛阳古洛玻璃有限公司)放置于阵列中的沟槽结构上并用铜胶带固定，即制备得到所述多功能传感阵列。对传感阵列中不同区域的压力传感器的浮栅电极施加500pa压力，并测试其源漏电流曲线。图6为沟槽宽度不同的压力传感器件在500pa压力下的源漏电流曲线。如图6所示，在施加相同大小压力时，沟槽宽度不同的压力传感器显示出不同的源漏电流响应，说明器件的灵敏度可以通过改变介电层沟槽的几何尺寸来很好地调控。
[0073]
(7)将制备好的传感阵列放置于手背皮肤上固定，并按照一定轨迹将小块铬金属(重量100mg)放置于阵列上，可以对物体产生的压力进行检测。
[0074]
图7为实施例2制备的多功能传感阵列对铬金属块的压力检测示意图，图8为实施例2制备的多功能传感阵列对铬金属块的压力检测的电流变化三维图像，从图7和图8能够看出：放置铬金属块的区域电流发生了变化，其三维图像中显示不同区域的压力传感器对同一物体的电流不同，由于人体皮肤上不同区域对于压力的感知能力不同，因此通过制备这种多功能传感阵列，可以用于人工皮肤类电子器件的制备。
[0075]
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种多功能传感阵列，其特征在于，通过在同一平面上制备多个传感器电极图案组成矩形阵列或按照一定图形规律排列组成传感阵列；单个所述传感器包括：基底；源电极和漏电极，所述源电极和漏电极分别设置于所述基底的两端，所述源电极和漏电极之间形成沟道区域；有机半导体层，所述有机半导体层设置在所述源电极和漏电极之上，并能覆盖所述沟道区域；介电层，设置于所述有机半导体层之上，且具有开口向上的槽结构；浮栅电极，设置于所述介电层之上，且能覆盖所述槽结构。2.权利要求1所述一种多功能传感阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)首先在基底上制备源电极阵列和漏电极阵列，形成沟道区域，然后再在所得的沟道区域上制备一层有机半导体层，所述有机半导层的体材料为聚吡咯并吡咯烷酮衍生物和聚噻吩异靛基衍生物中的至少一种；(2)在步骤(1)所述机半导体层上制备一层介电层，然后采用飞秒加工工艺扫描介电层表面，在介电层上制备出槽结构，沟槽的长度为100～10000μm；(3)将浮栅电极覆盖并固定在步骤(2)所述槽结构上，形成空气介电层，即制备得到所述多功能传感阵列。3.根据权利要求2所述一种多功能传感阵列的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述源电极的厚度为10～300nm；步骤(1)所述漏电极的厚度为10～300nm。4.根据权利要求3所述一种多功能传感阵列的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述源电极和漏电极的制备方法均选自真空热蒸镀、磁控溅射和等离子体增强的化学气相沉积中的一种；步骤(1)所述有机半导体层的制备方法为旋涂、提拉和蒸镀中的一种。5.根据权利要求4所述一种多功能传感阵列的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述基底为硅片、玻璃、陶瓷和塑料中的一种；步骤(1)所述源电极和漏电极的材料均选自金属、硅片、合金、金属氧化物、重掺杂半导体和导电聚合物中的一种。6.根据权利要求2～5任一项所述一种多功能传感阵列的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述介电层的厚度为10～50μm。7.根据权利要求6所述一种多功能传感阵列的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述介电层的制备方法选自化学气相沉积、旋涂、甩膜、热氧化或真空蒸镀中的一种；步骤(2)所述介电层的材质为pmma、pdms、ps和pvp中的一种。8.根据权利要求2～5任一项所述一种多功能传感阵列的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，飞秒加工的参数包括：飞秒激光重频为1khz～10mhz、飞秒激光脉宽为5～1000fs、飞秒激光能量密度为0.1j/cm2～100j/cm2、中心波长为50～2000nm、物镜的数值孔径为na0.05～na2.0以及载物台移动速度为10000～500000μm/s。9.根据权利要求2所述一种多功能传感阵列的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述浮
栅电极为有ito涂层的pet薄片、金属涂层的聚酰亚胺薄片、金属薄片和导电聚合物中的一种；步骤(3)所述浮栅电极的厚度为10～500μm。10.权利要求1所述一种多功能传感阵列在人工皮肤、压力感知矩阵和人机交互界面中的应用。

技术总结
本发明公开了一种多功能传感阵列及其制备方法和应用，本发明采用具有多个源漏电极图案的阵列式掩模版，制备出了多个顶栅有机场效应晶体管器件组成的阵列，并通过调控飞秒激光制备参数，得到了具有不同灵敏度的器件，使得传感阵列具有多模态的压力检测性能。相比现有技术，本发明通过改变飞秒激光加工参数，制备出具有不同几何尺寸的空气介电层，能有效调控器件的压力传感灵敏度；利用飞秒激光加工技术，在同一芯片上一步制备多个具有不同压力传感灵敏度的器件，能更好模拟人工皮肤的压力感知模式，具有较大的应用前景。具有较大的应用前景。具有较大的应用前景。


技术研发人员：夏建龙 陈立 吴迪 王东雪
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/7