CN106198635A - 一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器及其制备方法，所述湿度传感器的结构从下到上依次包括：衬底、栅电极、栅极绝缘层、有机半导体层以及源漏电极；所述有机半导体层是由靛蓝或靛蓝衍生物的一种或多种与细菌纤维素纳米纤维混合制成，其中细菌纤维素纳米纤维的质量百分数为3％～20％。本发明利用细菌纤维素纳米纤维的高度取向性，精确控制有机半导体层薄膜的形貌和有机材料晶粒的大小，增强半导体薄膜对水分的吸附，同时有效提升电子器件的机械强度和柔韧性；此外,靛蓝及靛蓝衍生物以及细菌纤维素纳米纤维具有良好的生物相容性和可降解性,能够有效解决电子垃圾造成的生态污染问题,可广泛应用于便携可穿戴式柔性传感器领域。

Description

一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及湿度传感器领域，具体涉及一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器及其制备方法。
背景技术
湿度是表示大气干燥程度的一个物理量，和人类的社会活动密切相关，随着现代化的发展，湿度的准确测量在气象学、医学、水文学以及工农业生产中愈发重要。
湿度传感器的种类繁多，主要包括电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器、电解质离子型湿度传感器和重量型湿度传感器等。目前，国内外的研究热点主要集中在电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器，通过检测敏感层在的电阻率和电容率的变化，测量气氛中湿度的具体量级。然而，传统的湿度传感器仍然存在这诸如探测下限不够、易受到周围环境的干扰、通常需要温度补偿、误差相对较大、精度不足、检测参数单一、不易实现柔性、小型化、集成化、使用的无机半导体材料容易对环境造成二次污染等缺点。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题，提供了一种基于有机场效应晶体管的生物可降解柔性湿度传感器及其制备方法，解决现有湿度传感器存在的敏感性低的问题，更进一步的解决了现有湿度传感器存 在的柔韧性差、易对环境造成污染等问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器，它包括从下到上依次叠加的衬底、栅电极、栅极绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极，其特征在于：所述有机半导体层是由靛蓝或靛蓝衍生物与细菌纤维素纳米纤维混合制成，所述有机半导体层中细菌纤维素纳米纤维的质量百分数为3％～20％。
优选的，所述衬底的材料为聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚对萘二甲酸乙二酯、虫胶、云母或细菌纤维素纳米纤维中的一种。
优选的，所述栅极绝缘层的材料为聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯的一种或多种，所述栅极绝缘层的厚度为20～520nm。
优选的，所述有机半导体层的厚度为50～120nm。
优选的，所述栅电极、源电极和漏电极的材料均为石墨烯、碳纳米管、金属单质纳米线、氧化锌、氧化钛、氧化铟锡或聚合物电极材料中的一种或多种，所述栅电极、源电极和漏电极厚度均为50～80nm。
优选的，所述金属单质纳米线包括铁纳米线、铜纳米线、银纳米线、金纳米线、铝纳米线、镍纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线和铂纳米线中的一种或多种。
优选的，所述聚合物电极材料为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)或3,4-聚乙烯二氧噻吩中的一种。
一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液中的一种或多种对衬底进行清洗，清洗后干燥；
②在衬底的表面制备栅电极，形成栅电极的图形；
③然后在栅电极表面上制备栅极绝缘层；
④将细菌纤维素纳米纤维溶液同靛蓝或靛蓝衍生物溶液按照质量百分配比进行混溶，然后在己覆盖栅极绝缘层的基板上制备有机半导体层初成体，然后70℃热退火20分钟，制成有机半导体层；
⑤在有机半导体层上制备源电极和漏电级；
⑥将步骤⑤制得后的有机场效应晶体管进行封装。
优选的，所述步骤②和步骤⑤中，栅电极、源电极、漏电极均是通过真空热蒸镀、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。
优选的，所述步骤④中，所述细菌纤维素纳米纤维混合有机半导体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、辊涂、滴膜、压所、印刷或气喷中的一种方法制备。
本发明提供了一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器及其制备方法，将靛蓝或靛蓝衍生物和细菌纤维素纳米纤维按照一定比例进行混合，利用细菌纤维素纳米纤维独特的材料特性，对有机半导体层薄膜的形貌进行精确调控，控制有机半导体中半导体材料晶粒的尺寸大小，通过对细菌纤维素纳米纤维比例的适当调整，有机半导体层将会趋向于形成具有更小晶粒的形貌。当晶粒更小时，意味着有机半导 体薄膜中存在着更多的晶粒间隙，这将有利于水分子更加快速地扩散到载流子沟道当中，从而增强湿度传感器对水分子的有效检测。
同时，由于细菌纤维素纳米纤维具有优良的吸水特性以及较强的柔韧性，因此，在有机半导体层中引入细菌纤维素纳米纤维之后，会明显提升半有机导体层对水分子的吸附作用，可以显著降低探测下限，增大湿度传感器的响应率，同时有效提升电子元器件的机械强度和柔韧性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、在靛蓝或靛蓝衍生物半导体层中引入一定量的细菌纤维素纳米纤维之后，本发明的湿度传感器的响应率显著提升，探测下限更低。
2、在靛蓝或靛蓝衍生物半导体层中引入一定量的细菌纤维素纳米纤维之后，本发明的湿度传感器将具有更快的响应速度，能实现气体的快速检测。
3、与现有的电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器相比，本发明的传感器具有较强的柔韧性，同时，靛蓝、靛蓝衍生物和细菌纤维素纳米纤维对环境友好，基于有机场效应晶体管的传感器可完全降解，有效解决电子垃圾造成的二次污染问题。
4、靛蓝、靛蓝衍生物和细菌纤维素纳米纤维都属于生物材料，来源广泛、成本低廉，制备工艺简单，易于实现工业化大规模生产。
附图说明
图1为本发明基于有机场效应晶体管的湿度传感器结构示意图，1-衬底，2-栅电极，3-栅极绝缘层，4-有机半导体层，5-源电极，6- 漏电极。
图2为实施例7制备的器件在不同湿度条件下，器件性能的变化，其中，ION为饱和电流，μ为载流子迁移率，VTH为阈值电压，可以看出器件在不同湿度条件下，器件的性能参数发生了较大的变化，起到了准确探测的效果。
具体实施方式
基于有机场效应晶体管的湿度传感器，包括衬底、栅电极、栅极绝缘层、有机半导体、源电极和漏电极，所述有机半导体层中引入一定量的细菌纤维素纳米纤维。
衬底采用柔性衬底，由聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚对萘二甲酸乙二酯(PEN)、虫胶、云母或细菌纤维素纳米纤维薄膜中的一种制成。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、源电极和漏电极的材料均为石墨烯、碳纳米管、金属单质纳米线、氧化铟锡或聚合物电极材料中的一种或多种，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中的一种。所述栅电极、源电极和漏电极的厚度均为为50～80nm。
栅极绝缘层采用具有良好的介电性能的材料，所述栅极绝缘层的材料为聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)的一种或多种，制备方法可以是等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂或者真空蒸镀中的一种方法。所述栅极绝缘层的厚度为20～520nm。
有机半导体层采用靛蓝作为半导体材料，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、滴膜、压印、印刷或气喷中的一种方法。所述有机半导体探测层的厚度均为50～120nm。
以下结合附图1对本发明作进一步的说明。
实施例1
制备方法如下：
①对溅射好50nmITO作为栅电极的PI衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②采用旋涂法在ITO上制备PS薄膜形成栅极绝缘层100nm；
③对旋涂好的PS薄膜经行加热烘烤；
④在栅极绝缘层上旋涂靛蓝:细菌纤维素纳米纤维质量比为97:3的有机半导体层100nm；
⑤采用真空蒸镀制备铜源电极和漏电极80nm。
对器件的湿度响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝6μA，载流子迁移率μ＝0.02×10-3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-4V，室温下对湿度响应较差
实施例2
制备方法如下：
①对喷涂好80nm银纳米线作为栅电极的PEI衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②采用旋涂法在银纳米线上制备PMMA薄膜形成栅极绝缘层520nm；
③对旋涂好的PMMA薄膜经行加热烘烤；
④在栅极绝缘层上旋涂靛蓝:细菌纤维素纳米纤维质量比为94:6的有机半导体层120nm；
⑤采用真空蒸镀制备银源电极和漏电极70nm。
对器件的湿度响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝8μA，载流子迁移率μ＝0.008×10-3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-10V，室温下对湿度响应差。
实施例3
制备方法如下：
①对溅射好70nmITO作为栅电极的虫胶衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②采用旋涂法在ITO上制备PVA薄膜形成栅极绝缘层20nm；
③对旋涂好的PVA薄膜经行加热烘烤；
④在栅极绝缘层上旋涂靛蓝:细菌纤维素纳米纤维质量比为90:10的有机半导体层100nm；
⑤采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极50nm。
对器件的湿度响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝9μA，载流子迁移率μ＝0.02×10-3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-3V，室温下对湿度响应好。
实施例4
制备方法如下：
①对喷涂好60nm石墨烯作为栅电极的PI衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②采用旋涂的方法生成一层20nm PS作为栅极绝缘层；
③在栅极绝缘层上旋涂制备靛蓝:细菌纤维素纳米纤维质量比为88:12的有机半导体层25nm；
④采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极60nm。
对器件的湿度响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝15μA，载流子迁移率μ＝0.07×10-3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-8V，室温下对湿度响应好。
实施例5
其制备方法如下：
①对蒸镀好60nm金作为栅电极的衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②采用旋涂法在金上制备300nmPS薄膜形成栅极绝缘层；
③对旋涂好的PS薄膜经行加热烘烤；
④在栅极绝缘层上旋涂制备靛蓝:细菌纤维素纳米纤维质量比为85:15的有机半导体层50nm；
⑤采用真空蒸镀制备银源电极和漏电极70nm。
对器件的湿度响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝17μA，载流子迁移率μ＝0.06×10-3cm2/Vs阈值电压VTH＝-8V，室温下对湿度响应很好。
实施例6
制备方法如下：
①对溅射好50nm ITO栅电极的PEI衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②采用喷涂法在ITO上制备50nm PMMA薄膜形成栅极绝缘层；
③栅极绝缘层上旋涂制备靛蓝:细菌纤维素纳米纤维质量比为83:17的有机半导体层120nm；
④采用真空蒸镀制备铜源电极和漏电极60nm。
对器件的湿度响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝17μA，载流子迁移率μ＝0.05×10-3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-7V，室温下对湿度响应好。
实施例7
制备方法如下：
①对溅射好60nm ITO栅电极的PI衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②采用喷涂法在ITO上制备50nm PMMA薄膜形成栅极绝缘层；
③栅极绝缘层上旋涂制备靛蓝:细菌纤维素纳米纤维质量比为80:20的有机半导体层120nm；
④采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极80nm。
对器件的湿度响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝10μA，载流子迁移率μ＝0.03×10-3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-9V，室温下对湿度响应差。
表1：加入不同比例的明胶的器件性能参数表
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器，它包括从下到上依次叠加的衬底、栅电极、栅极绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极，其特征在于：所述有机半导体层是由靛蓝或靛蓝衍生物的一种或多种与细菌纤维素纳米纤维混合制成，所述有机半导体层中细菌纤维素纳米纤维的质量百分数为3％～20％。
2.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器，其特征在于：所述衬底的材料为聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚对萘二甲酸乙二酯、虫胶、云母或细菌纤维素纳米纤维中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器，其特征在于：所述栅极绝缘层的材料为聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯的一种或多种，所述栅极绝缘层的厚度为20～520nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器，其特征在于：所述有机半导体层的厚度为50～120nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器，其特征在于：所述栅电极、源电极和漏电极的材料均为石墨烯、碳纳米管、金属单质纳米线、氧化锌、氧化钛、氧化铟锡或聚合物电极材料中的一种或多种，所述栅电极、源电极和漏电极厚度均为50～80nm。
6.根据权利要求5所述的一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器，其特征在于，所述金属单质纳米线为铁纳米线、铜纳米线、银纳米线、金纳米线、铝纳米线、镍纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线和铂纳米线中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器，其特征在于，所述聚合物电极材料为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)或3,4-聚乙烯二氧噻吩中的一种。
8.如权利要求1-7任意一项所述的一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水或异丙醇溶液中的一种或多种对衬底进行清洗，清洗后干燥；
②在衬底的表面制备栅电极，形成栅电极的图形；
③然后在栅电极表面上制备栅极绝缘层；
④将细菌纤维素纳米纤维溶液同靛蓝或靛蓝衍生物溶液按照质量百分配比进行混溶，然后在己覆盖栅极绝缘层的基板上制备有机半导体层初成体，然后70℃热退火20分钟，制成有机半导体层；
⑤在有机半导体层上制备源电极和漏电级；
⑥将步骤⑤制得后的有机场效应晶体管进行封装。
9.根据权利要求8所述的一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤②和步骤⑤中，栅电极、源电极、漏电极均是通过真空热蒸镀、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。
10.根据权利要求8所述的一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤④中，所述细菌纤维素纳米纤维混合有机半导体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、辊涂、滴膜、压所、印刷或气喷中的一种方法制备。
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