CN104792848A - 一种基于印刷晶体管的pH检测标签 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于印刷晶体管的pH传感标签器件,依次包括衬底、离子敏感膜、参比电极、有机晶体管和封装层;有机晶体管按层依次包括栅电极、栅绝缘层、通孔、源电极与漏电极、有机半导体层、半导体保护层,有机晶体管上方为封装层;离子敏感膜、参比电极与有机晶体管的栅电极直接制备在衬底上,而且离子敏感膜一端与有机晶体管的栅电极靠近,离子敏感膜另一端与参比电极靠近且此区域为pH传感标签器件的反应池。pH信号被扩展栅型离子场效应晶体管检测并被反相器电路转化为电压输出信号;标签的工作电压小于5V;所有功能层均采用印刷工艺制作。该标签的不仅生产成本低、产品周期短,而且具有功耗小、柔韧性好等特性。

Description

一种基于印刷晶体管的pH检测标签
技术领域
本发明涉及一种化学传感器件,具体涉及一种基于印刷晶体管的pH检测标签及制备,属于印刷/有机电子器件制备技术领域。
背景技术
pH传感器可广泛用于农业生产、化学工程、生物工程、食品生产、环境保护、军事等领域,尤其是物联网、智能监控、云计算等新型应用对可抛式传感标签的需求非常大,因此低成本的可抛式传感标签越来越受到关注。在众多类型的pH传感器中,全固态器件型离子场效应晶体管因具有体积小、灵敏度高、响应快、微型化、易集成的优点,而且兼具电化学和晶体管双重特性可以很容易与外电路匹配,实现在线控制和实时监测。传统的离子场效应晶体管大多是硅基器件,虽然传感性能优异,但是它也存在可定制性差、生产周期长、不便于柔性化以及生产和处理过程中产生一定的环境污染等缺陷。近年来随着有机晶体管技术的突飞猛进,促进了新型离子场效应晶体管的发展。借助低成本印刷技术,基于印刷晶体管的pH传感标签使得满足可柔性化、成本低廉、环保以及适合批量生产等要求的成为可能。然而受制于材料及工艺,印刷晶体管的工作电压通常较高(>40V),标签供电将是拓宽传感标签实用化的瓶颈之一。另一方面,有机晶体管的工作电流较低的特性对检测电路的要求提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是,针对现有技术领域的不足,用印刷工艺制作可低电压工作的电压输出型pH传感标签及其制备方法。
本发明技术方案是,基于印刷(有机)晶体管的pH传感标签器件,依次包括衬底(尤其是塑料/纸衬底)、离子敏感膜、参比电极、有机晶体管和封装层;有机晶体管按层依次包括栅电极、栅绝缘层、通孔、源电极与漏电极、有机半导体层、半导体保护层,有机晶体管上方为封装层;离子敏感膜、参比电极与有机晶体管的栅电极直接制备在衬底上,而且离子敏感膜一端与有机晶体管的栅电极靠近,离子敏感膜另一端与参比电极靠近且此区域为pH传感标签器件的反应池。
pH传感标签上的具有两个有机晶体管,二个栅电极在一层,源电极与漏电极在另一层(上层),有机晶体管均采用底栅底接触型结构;第一有机晶体管的栅电极与离子敏感膜接触,与第二有机晶体管的漏电极电连接,第二有机晶体管的源电极与栅电极电连接;其中第一有机晶体管用于跟离子敏感膜组成扩展栅型离子场效应晶体管以检测pH信号,该有机晶体管与组成反相器的第二有机晶体管用于将pH信号转化为电压输出信号。为实现低操作电压以及兼容印刷工艺,标签上的所有功能层均采用低成本的印刷工艺制作得到。
本发明论的有益效果:本发明提供的pH传感标签具有以下优点:
第一,传感器件工作操作电压低、功耗小,供电源来源广,器件可由如光伏电池、纸电池、无线电波等方式驱动,极大地拓展了标签的应用领域。
第二,使用印刷工艺,产品具有生产成本低、产品周期短等优势。
第三,晶体管以及衬底使用的是有机材质,使得标签具有优异的柔韧性。
总之,本发明所有功能层均采用印刷工艺制作。该标签的不仅生产成本低、产品周期短,而且具有功耗小、柔韧性好等特性,具有广阔的应用前景。
附图说明
图1本发明一个优选实施例中pH传感标签器件叠层结构图;
图2本发明一个优选实施例中pH传感标签器件电路示意图;
图3本发明一个优选实施例中有机晶体管电学特性;图中a、b分别对应VDS和VGS的工作特性;
图4本发明一个优选实施例中扩展栅型离子反应有机晶体管电学特性对被测溶液pH的响应特性;图中a、b分别对应VRE(参比电极电压)和VDS的响应特性。
图5本发明一个优选实施例中扩展栅型离子反应有机晶体管对pH响应的再生特性;
图6本发明一个优选实施例中传感标签的输出特性及再生特性。
具体实施方式
如图所示,1-衬底;2-离子敏感膜;3-参比电极;4-栅电极;5-栅绝缘层;6-通孔(连线);7-源/漏电极;8-有机半导体层;9-半导体保护层;10-标签封装层;11-反应池。
为更好地理解本发明中的技术方案,下面结合附图对此进行详细的描述。由于所述实施例为较佳实施方式,所述描述是以说明本发明的一般原则为目的而不仅仅限定本发明的范围。
如图1所示,在本发明的一个实施例中,传感标签包括:塑料/纸衬底、参比电极、有机晶体管、离子敏感膜和封装层。有机晶体管采用底栅底接触型结构,自下而上依次为第一层栅电极,第二层栅介质层(设有通孔),第三层源/漏电极,第四层置于源漏电极间的有机半导体层,第五层有机半导体层保护层。标签上的所有功能层均采用低成本的印刷工艺制作得到。
pH信号被扩展栅型离子场效应晶体管检测并被反相器电路转化为电压输出信号;标签的工作电压小于5V;所有功能层均采用印刷工艺制作。
有机晶体管采用底栅底接触型结构,自下而上依次为第一层栅电极,第二层栅介质层,第三层源/漏电极,第四层置于源漏电极间的有机半导体层,第五层有机半导体层保护层。
有机晶体管的栅介质层厚度大于200nm,有机半导体层为小分子和聚合物的共混体系,有机晶体管的工作电压小于5V。
在本发明中,标签上具有两个有机晶体,其中的一个有机晶体管的栅极跟离子敏感膜连接组成扩展栅型离子场效应晶体管以检测pH信号;该有机晶体管与另外一个有机晶体管组成反相器以将pH信号转化为电压输出信号,以便后续读取电路采集和处理。标签共使用两个有机晶体管,其中的一个有机晶体管的栅极跟离子敏感膜连接组成扩展栅型离子场效应晶体管以检测pH信号,该有机晶体管与另外一个有机晶体管组成反相器以将pH信号转化为电压输出信号。
进一步参照图1,标签经封装后裸露出接触电极(包括有机晶体管的各极、参比电极等)以供电气接触,同时裸露出反应池区域以放置被测液,电学输入信号经过参比电极施加到浸在被测溶液中的离子反应膜上。本发明的一个实施例中电路结构示意图如图2所示。参比电极由Ag/AgCl墨水印刷得到或者由印刷Ag电极经电镀反应得到。半导体保护层能保护有机半导体层免于封装层工艺带来的伤害。标签上裸露于封装层之外的部分仅限于电气接触端子和限制于反应池中的离子敏感膜和参比电极。
本发明的一个优选实施例中,如图1结构,该标签的制作工艺为:在沉积离子敏感膜(采用ITO敏感膜)的PET薄膜衬底上印刷(或打印,印刷可采用丝网印刷等)银电极作为栅电极;印刷Ag/AgCl参比电极;印刷厚度为1um左右的SU8光刻胶作为栅绝缘层并光刻出接触通孔及反应池;印刷银电极作为源/漏电极;印刷100±30纳米厚度左右的有机小分子(TIPS-pentacene)和聚合物材料(Polystyrene)组成的共混体系半导体(现有技术材料);印刷1±0.2微米厚度的CYTOP作为有机半导体保护层;封装器件并预留反应池。
本发明的上述优选实施例中,有机晶体管的电学转移及输出特性如图3所示,器件具有较低的操作电压(<5V)、高的开关比(106)、无迟滞效应。该有机晶体管跟ITO离子敏感薄膜组成的扩展栅型离子场效应晶体管(即第一有机晶体管)对H+浓度具有很好的响应,如图4所示,在固定参比电极输入电压信号时,有机晶体管的输出电流与被测液的pH相关;同时,器件表现的阈值电压漂移也跟被测液的pH相关。通过具有不同pH的被测液对其反复测试可以看出良好的检测再生特性(如图5所示)。因此,扩展栅型离子场效应晶体管可以很好的将H+浓度转化为可以被电学仪器读取的电学信号。性能参见下表。
表1本发明一个优选实施例中传感标签性能示例
本发明的一个优选实施例中,标签的检测特性如图6所示,被测液中的H+浓度可以通过传感标签的两个晶体管被检测并转化为电压输出信号。该信号经过进一步的校准处理可以较为精确地分析出被测液的pH,如表1所示。因此,本发明可以快速有效地将化学信号直接转化为可被电学仪器读取的电学信号以实现进一步的处理。

Claims (5)

1.基于印刷晶体管的pH传感标签器件,其特征是依次包括衬底、离子敏感膜、参比电极、有机晶体管和封装层;有机晶体管按层依次包括栅电极、栅绝缘层、通孔、源电极与漏电极、有机半导体层、半导体保护层,有机晶体管上方为封装层;离子敏感膜、参比电极与有机晶体管的栅电极直接制备在衬底上,而且离子敏感膜一端与有机晶体管的栅电极靠近,离子敏感膜另一端与参比电极靠近且此区域为pH传感标签器件的反应池。
2.根据权利要求1所述的基于印刷晶体管的pH传感标签器件,其特征是pH传感标签上的具有两个有机晶体管,二个栅电极在一层,源电极与漏电极在上层,有机晶体管均采用底栅底接触型结构;第一有机晶体管的栅电极与离子敏感膜接触,与第二有机晶体管的漏电极电连接,第二有机晶体管的源电极与栅电极电连接;其中第一有机晶体管用于跟离子敏感膜组成扩展栅型离子场效应晶体管以检测pH信号,第一有机晶体管与组成反相器的第二有机晶体管用于将pH信号转化为电压输出信号。
3.根据权利要求1所述的基于印刷晶体管的pH传感标签器件,其特征是衬底是塑料/纸衬底。
4.根据权利要求1所述的基于印刷晶体管的pH传感标签器件,其特征是在PET薄膜衬底上沉积离子敏感膜采用ITO敏感膜。
5.根据权利要求1所述的基于印刷晶体管的pH传感标签器件,其特征是ITO敏感膜上印刷或打印银电极作为栅电极;印刷Ag/AgCl参比电极;印刷厚度为1微米的SU8光刻胶作为栅绝缘层并光刻出接触通孔及反应池;印刷银电极作为源/漏电极;印刷1001±0.2纳米厚度的有机小分子和聚合物材料组成的共混体系半导体;印刷1±0.2微米厚度的CYTOP作为有机半导体保护层;封装器件并预留反应池。
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