CN102507659B

CN102507659B - 基于有机薄膜晶体管的甲醛气体传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN102507659B
Application number: CN2011103831817A
Authority: CN
Inventors: 于军胜; 曾红娟; 于欣格; 张霖; 蒋亚东
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-11-28
Also published as: CN102507659A

Abstract

本发明公开了一种基于有机薄膜晶体管的甲醛气体传感器及其制备方法，属于气体检测传感器领域，解决现有技术中检测甲醛的有机晶体管由于检测层结构原因导致的制备环境要求苛刻、灵敏度不高、制备成本高的问题。它包括衬底、位于衬底上的栅电极、位于栅电极上的栅极绝缘层、位于栅极绝缘层上的源电极和漏电极，源电极和漏电极通过甲醛气体有机半导体探测层相连接，所述甲醛气体有机半导体探测层由苯并类及苯并类衍生物有机材料制成。主要用于环境甲醛的检测。

Description

基于有机薄膜晶体管的甲醛气体传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于气体检测传感器领域，具体涉及一种基于有机薄膜晶体管的甲醛气体传感器及其制备方法。

背景技术

甲醛又称蚁醛，是一种无色的挥发性有机化合物，有强烈刺激性气味。其对人体的健康危害主要表现在剌激眼睛和呼吸道，造成肺、肝及人体免疫功能的异常。1995年，甲醛被国际癌症研究机构(IARC)确定为可疑致癌物。2004年，甲醛又被国际癌症研究机构(IARC) 确定为第一类致癌物。然而，在人们装修房屋中的天花板、刨花板、密度板等人造板材、胶粘剂、墙纸等装修材料，化纤纺织品、消毒剂等日常生活用品都会散发出甲醛，液化石油气等石化燃料的不完全燃烧也会释放出甲醛。

一般来讲，甲醛浓度在0.01-3.1 mg/m³，即0.008-2ppm时，就会造成头痛、头晕、失眠等症状。我国公共场所卫生标准规定空气中甲醛的最高浓度容许浓度为0.12mg/m³（0.1 ppm），而居室空气中甲醛的卫生标准0.10 mg/m³（0.08 ppm）。但是，据某不完全统计，目前90%的新装修房甲醛浓度严重超标。因此，准确地检测室内及周围环境甲醛的浓度对保护人民的健康具有十分重要的意义。

常用的甲醛检测的方法有变色法(比如中国专利CN 1825094A 、CN1458516A 、CN 2572399Y 、CNG1256421A 、CN 1563954A 、CN2616903Y 、CN 1589952A) ，催化燃烧法， GC/TSD , GC/FID, GC/NPD,HPLC/UV ，以及电化学方法等。其中，催化燃烧法与电化学方法都有着不同程度的成本消耗高的缺点；变色法一般为甲醛检测管和检测试纸(或试液)，这种方法虽然价格低廉，但可靠性较差，并且灵敏度不高，且产品多为一次性，产品弊端较多，并且这种使用后即抛弃的做法还给社会环境带来潜在的二次污染。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中检测甲醛的有机晶体管由于检测层结构原因导致的制备环境要求苛刻、灵敏度不高、制备成本高的问题。

本发明的技术方案是：基于有机薄膜晶体管的甲醛气体传感器，包括衬底、位于衬底上的栅电极、位于栅电极上的栅极绝缘层、位于栅极绝缘层上的源电极和漏电极，源电极和漏电极通过甲醛气体有机半导体探测层相连接，所述甲醛气体有机半导体探测层由苯并类及苯并类衍生物有机材料制成。

进一步地，所述甲醛气体有机半导体探测层由并三苯、并四苯、并五苯、6,13-二三异丙酯硅基乙炔并五苯、3,4-苯并芘、六苯并苯、6,13-五并苯醌中的至少一种构成。

进一步地，所述甲醛气体有机半导体探测层的厚度为5-500 nm。

进一步地，所述衬底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金属箔制成。

进一步地，所述栅电极、源电极和漏电极由金属及其合金材料、金属氧化物或导电复合材料制成，源电极和漏电极的厚度为10-300 nm。

进一步地，所述栅极绝缘层的厚度为20-2000 nm。

本发明还提供了一种基于有机薄膜晶体管的甲醛气体传感器的制备方法，它包括以下步骤：

①先对衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；

②在衬底表面制备栅电极；

③在栅电极上面制备栅极绝缘层并对绝缘层进行处理；

④在所述栅极绝缘层上制备源电极和漏电极；

⑤在源电极和漏电极之间制备甲醛气体有机半导体探测层。

进一步地，所述栅电极、源电极、漏电极是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的一种方法制备。

进一步地，所述栅极绝缘层是通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂或者真空蒸镀中的一种方法制备。

进一步地，所述甲醛气体有机半导体探测层是通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、旋涂、滴膜、压印、印刷或气喷中的一种方法制备。

本发明提供的甲醛气体传感器是基于有机薄膜晶体管并采用具有甲醛气体敏感特性的有机材料作为半导体层，即在源电极与漏电极之间加入一层由苯并类及苯并类衍生物有机材料制成的探测层。通过苯并类及苯并类衍生物有机材料对甲醛气体的吸附而迅速的改变有机薄膜晶体管的源、漏电极电流，阈值电压等电学参数，从而实现了甲醛气体的快速检测功能。

由于苯并类材料有着利于形成多晶状态的特点和较高的载流子迁移率，因此基于此类材料所制备的有机薄膜晶体管有着很好的电流响应。采用苯并类有机材料并基于有机薄膜晶体管的苯并类材料层会吸附甲醛气体在晶粒之间形成载流子陷阱，从而在工作状态下大幅改变器件的输出电流，形成快速的甲醛响应特性，而达到快速检测甲醛气体的作用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、苯并类及苯并类衍生物有机材料成本低廉、可大面积形成薄膜。

2、相对其他有机半导体材料，苯并类材料易形成多晶状态从而实现较大的响应电流，便于实现电流的检测。

3、基于有机薄膜晶体管的甲醛气体传感器可以快速的对甲醛气体做出电学的改变。

4、降低了生产成本，更适宜大规模产业化生产。

附图说明

图1为底栅顶接触式基于有机薄膜晶体管的甲醛气体传感的器结构示意图；

图2为底栅底接触式基于有机薄膜晶体管的甲醛气体传感器的结构示意图。

其中，1为衬底，2为栅电极，3为栅极绝缘层，4为甲醛气体有机半导体探测层，5为源电极，6为漏电极。

具体实施方式

基于有机薄膜晶体管的甲醛气体传感器，包括衬底、位于衬底上的栅电极、位于栅电极上的栅极绝缘层、位于栅极绝缘层上的源电极和漏电极，源电极和漏电极通过甲醛气体有机半导体探测层相连接，所述甲醛气体有机半导体探测层由苯并类及苯并类衍生物有机材料制成。

衬底可采用刚性衬底或者柔性衬底，如硅片、玻璃、聚合物薄膜和金属箔中的一种，有一定的防水汽和氧气渗透的能力，有较好的表面平整度。

栅电极、源电极和漏电极采用具有低电阻的材料构成，如金（Au）、银（Ag）、镁（Mg）、铝（Al）、铜（Cu）、钙（Ca）、钡（Ba）、镍（Ni）等金属及其合金材料，金属氧化物，如氧化铟锡（ITO），氧化锌锡（IZO）导电薄膜和导电复合材料，如金胶、银胶、碳胶等，制备方法可以是真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印、旋涂等各种沉积方法。所述源电极和漏电极的厚度为10-300 nm。

栅极绝缘层采用具有良好的介电性能的材料，无机绝缘材料如二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、氧化铝（Al2O3）、氟化锂（LiF）、二氧化钛（TiO2）、五氧化二钽（Ta2O5）；有机绝缘材料如聚乙烯醇（PVA）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙基丙烯酸酯（PCA）、聚四氟乙烯（PTFE）等，制备方法可以是等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂或者真空蒸镀等。所述栅极绝缘层的厚度为20-2000 nm。

甲醛气体有机半导体探测层采用苯并类及苯并类衍生物有机材料制成，包括并三苯、并四苯、并五苯、6,13 - 二三异丙酯硅基乙炔并五苯、3,4-苯并芘、六苯并苯、6,13-五并苯醌等，制备方法可以是等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、旋涂、滴膜、压印、印刷、气喷等。所述甲醛气体有机半导体探测层的厚度均为5-500 nm。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1

器件结构如图1所示，为底栅顶接触式结构。器件各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃，栅电极2为ITO，厚度为180 nm，栅极绝缘层3为PMMA，厚度为500 nm，甲醛气体有机半导体探测层4为并五苯，厚度为25nm，源电极5和漏电极6均为Au，厚度为50 nm。

其制备方法如下：

① 对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

②采用旋涂法在ITO上制备PMMA薄膜形成栅极绝缘层3；

③对旋涂好的PMMA薄膜经行加热烘烤；

④采用真空蒸镀制备并五苯甲醛气体有机半导体探测层4；

⑤采用真空蒸镀制备源电极5和漏电极6。

实施例2

传感器的结构如图1所示。传感器各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃，栅电极2为ITO，厚度为180 nm，栅极绝缘层3为PS，厚度为20 nm，甲醛气体有机半导体探测层4为并五苯，厚度为25nm，源电极5和漏电极6均为Au厚度为50 nm。

制备流程与实施例1相似。

实施例3

传感器结构如图1所示。传感器各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃，栅电极2为ITO，厚度为180 nm，栅极绝缘层3为PVA，厚度为2000 nm，甲醛气体有机半导体探测层4为并五苯，厚度为25nm，源电极5和漏电极6均为Au，厚度为50 nm。

制备流程与实施例1相似。

实施例4

传感器结构如图1所示。传感器各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃，栅电极2为ITO，厚度为180 nm，栅极绝缘层3为PS，厚度为500 nm，甲醛气体有机半导体探测层4为并四苯，厚度为5nm，源电极5和漏电极6均为Au，厚度为50 nm。

制备流程与实施例1相似。

实施例5

传感器结构如图1所示。传感器各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃，栅电极2为ITO，厚度为180 nm，栅极绝缘层3为PS，厚度为500 nm，甲醛气体有机半导体探测层4为并三苯，厚度为50nm，源电极5和漏电极6均为Au，厚度为50 nm。

制备流程与实施例1相似。

实施例6

传感器结构如图1所示。传感器各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃，栅电极2为ITO，厚度为180 nm，栅极绝缘层3为PS，厚度为500 nm，甲醛气体有机半导体探测层4为并三苯，厚度为500nm，源电极5和漏电极6均为Cu，厚度为50 nm。

制备流程与实施例1相似。

实施例7

传感器结构如图1所示。传感器各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃，栅电极2为ITO，厚度为180 nm，栅极绝缘层3为PS，厚度为500 nm，甲醛气体有机半导体探测层4为并三苯，厚度为500nm，源电极5和漏电极6均为Cu，厚度为10 nm。

传感器的制备流程与实施例1相似。

实施例8

传感器结构如图2所示，为底栅底接触式结构。传感器各层的材料和厚度为：衬底1为硅片，栅电极2为硅，厚度为300 nm，栅极绝缘层3为SiO2，厚度为200 nm，甲醛气体有机半导体探测层4为6,13 - 二三异丙酯硅基乙炔并五苯，厚度为100nm，源电极5和漏电极6均为Ag，厚度为50 nm。

其制备方法如下：

① 对硅为栅电极的衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

②采用热氧化或者气相沉积的方法生成一层SiO2作为栅极绝缘层3；

③在SiO2表面通过真空蒸镀或者溅射的方法制备源电极5和漏电极6；

④采用旋涂制备甲醛气体有机半导体探测层4。

实施例9

传感器结构如图2所示，为底栅底接触式结构。传感器各层的材料和厚度为：衬底1为硅片，栅电极2为硅，厚度为300 nm，栅极绝缘层3为SiO2，厚度为200 nm，甲醛气体有机半导体探测层4为6,13 - 二三异丙酯硅基乙炔并五苯，厚度为100nm，源电极5和漏电极6均为Al，厚度为300 nm。

制备流程与实施例8相似。

实施例10

传感器结构如图2所示，为底栅底接触式结构。传感器各层的材料和厚度为：衬底1为硅片，栅电极2为硅，厚度为300 nm，栅极绝缘层3为SiO2，厚度为200 nm，甲醛气体有机半导体探测层4为6,13 - 二三异丙酯硅基乙炔并五苯，厚度为10nm，源电极5和漏电极6均为Al，厚度为100 nm。

制备流程与实施例8相似。

实施例11

传感器结构如图2所示，为底栅底接触式结构。传感器各层的材料和厚度为：衬底1为硅片，栅电极2为硅，厚度为300 nm，栅极绝缘层3为SiO2，厚度为500 nm，甲醛气体有机半导体探测层4为6,13 - 二三异丙酯硅基乙炔并五苯，厚度为500nm，源电极5和漏电极6均为Al，厚度为300 nm。

制备流程与实施例8相似。

实施例12

传感器结构如图2所示，为底栅底接触式结构。传感器各层的材料和厚度为：衬底1为硅片，栅电极2为硅，厚度为300 nm，栅极绝缘层3为SiO2，厚度为500 nm，甲醛气体有机半导体探测层4为并五苯，厚度为200nm，源电极5和漏电极6均为Al，厚度为300 nm。

制备流程与实施例8相似。

Claims

1.基于有机薄膜晶体管的气体传感器的在甲醛探测上的应用，其特征在于：所述气体传感器包括衬底、位于衬底上的栅电极、位于栅电极上的栅极绝缘层、位于栅极绝缘层上的源电极和漏电极，源电极和漏电极通过甲醛气体有机半导体探测层相连接，所述甲醛气体有机半导体探测层由并三苯、并四苯、并五苯、6， 13-二三异丙酯硅基乙炔并五苯、3，4-苯并芘、六苯并苯、6，13-五并苯醌中的至少一种构成。

2. 根据权利要求1所述的基于有机薄膜晶体管的气体传感器的在甲醛探测上的应用，其特征在于：所述甲醛气体有机半导体探测层的厚度为5-500 nm。

3. 根据权利要求1所述的基于有机薄膜晶体管的气体传感器的在甲醛探测上的应用，其特征在于：所述衬底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金属箔制成。

4.根据权利要求1所述的基于有机薄膜晶体管的气体传感器的在甲醛探测上的应用，其特征在于：所述栅电极、源电极和漏电极由金属及其合金材料、金属氧化物或导电复合材料制成，源电极和漏电极的厚度为10-300 nm。

5.根据权利要求1所述的基于有机薄膜晶体管的气体传感器的在甲醛探测上的应用，其特征在于：所述栅极绝缘层的厚度为20-2000 nm。