CN106562767A - 一种汗液检测系统及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汗液检测系统及制备方法。其中，汗液检测系统其包括：柔性传感器件和柔性存储器件，所述柔性传感器件为顶栅底接触的晶体管结构，所述柔性存储器件为底栅顶接触的晶体管结构，所述柔性存储器件的栅极与柔性传感器件的源极相连。本发明基于二维层状材料来制备柔性传感器件和柔性存储器件，将柔性传感器件和柔性存储器件结合成为逻辑电路，使得柔性传感器件对汗液中各离子的检测结果，可以被柔性存储器件即时的记录，从而实现检测汗液并存储检测结果。

Description

一种汗液检测系统及制备方法

技术领域

本发明涉及电子科学领域，尤其涉及一种汗液检测系统及制备方法。

背景技术

传感技术是当今世界各国普遍重视并大力发展的高新技术之一，在人类社会步入信息时代的今天，传感器技术已成为现代信息技术中必不可少的主要技术，在国民经济和国防建设中占有极其重要的地位，传感器是现代信息系统和各种装备必需的信息采集手段，对提高经济效益和生产技术水平、增强国防实力有着举足轻重的作用。随着科技的发展和社会的进步，人类对自身的健康问题越来越重视。人体会不断发出广泛的生物信号，包括电生理信号，例如脑电波和心电波；生理信号，例如脉搏和体温；热信号，例如热导率和温度分布；机械信号，例如压力；以及生物化学信号，例如葡萄糖，pH值和离子含量。这些信号都含有关于身体机能和很多疾病进展的重要临床线索。

人类的汗液是一种是通过情绪压力和身体运动时产生的自然体液, 汗液中包含很多成分，例如纳离子，钾离子和乳酸等等，这些成分的含量提供了丰富的生理和代谢信息，这些信息可能对于疾病诊断、药物滥用检测和运动表现优化等有用。因此，获得一个人生理和健康的实时信息可以通过测量汗液中特定分子的水平。另外对在锻炼过程之中所产生的汗液进行实时监测可以收集很多有价值的信息，例如各种离子以及其他生物分子浓度的变化，这些信息可以有助于锻炼者在运动过程中及时地补充矿物质和其他营养成分。但现有技术中还无法实现对汗液进行超敏感实时检测。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种汗液检测系统及制备方法，旨在解决现有技术无法对汗液进行超敏感实时检测的问题。

本发明的技术方案如下：

一种汗液检测系统，其中，包括：柔性传感器件和柔性存储器件，所述柔性传感器件为顶栅底接触的晶体管结构，所述柔性存储器件为底栅顶接触的晶体管结构，所述柔性存储器件的栅极与柔性传感器件的源极相连。

所述的汗液检测系统，其中，所述柔性传感器件从下至上依次包括：柔性基底、源极和漏极、二维层状材料、介电层、栅极、离子选择薄膜。

所述的汗液检测系统，其中，所述柔性存储器件从下至上依次包括：柔性基底、栅极、介电层、二维层状材料、隧穿层、二维层状材料、源极和漏极。

所述的汗液检测系统，其中，所述二维层状材料为二硫化钼、二硫化钨、二硫化钛或二硫化钽。

所述的汗液检测系统，其中，所述介电层的材料为氧化铝。

所述的汗液检测系统，其中，所述隧穿层的材料为氧化铝。

所述的汗液检测系统，其中，所述柔性基底的材料为聚对苯二甲酸。

一种如上所述的汗液检测系统的制备方法，其中，其包括步骤：

将多个柔性传感器件组合成为传感器阵列，将每一柔性存储器件的栅极与对应一柔性传感器件的源极相连，所述柔性传感器件为顶栅底接触的晶体管结构，所述柔性存储器件为底栅顶接触的晶体管结构。

所述的汗液检测系统的制备方法，其中，所述柔性传感器件的制备过程包括：

A、在柔性基底上制备源极和漏极；

B、在源极和漏极之上制备二维层状材料；

C、将介电层沉积于二维层状材料之上；

D、在介电层上沉积栅极；

E、在栅极上制作离子选择薄膜。

所述的汗液检测系统的制备方法，其中，所述柔性存储器件的制备过程包括：

A、在柔性基底上沉积栅极；

B、在栅极上制备介电层；

B、在所述介电层上制备二维层状材料；

C、在所述二维层状材料上制备隧穿层；

D、在所述隧穿层上再次制备二维层状材料；

E、在步骤D制备的二维层状材料上制备源极和漏极。

有益效果：本发明基于二维层状材料来制备柔性传感器件和柔性存储器件，将柔性传感器件和柔性存储器件结合成为逻辑电路，使得柔性传感器件对汗液中各离子的检测结果，可以被柔性存储器件即时的记录，从而实现检测汗液并存储检测结果。

附图说明

图1为本发明一种汗液检测系统较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明一种汗液检测系统中柔性传感器件的结构示意图。

图3为本发明一种汗液检测系统中柔性存储器件的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种汗液检测系统及制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。

请参阅图1，图1为本发明一种汗液检测系统较佳实施例的结构示意图，如图所示，其包括：柔性传感器件10和柔性存储器件20，所述柔性传感器件10为顶栅底接触的晶体管结构，所述柔性存储器件20为底栅顶接触的晶体管结构，所述柔性存储器件20的栅极与柔性传感器件10的源极相连。

在不同的生物化学传感器中，将具有生物兼容型的材料与场效应晶体管结合有着巨大的发展潜力。基于场效应晶体管的传感器通常具有高灵敏度，因为该装置结合了传感器和放大器，当目标检测物所引起的栅极电压的微小变化都可以通过显著的沟道电流变化而检测。另一方面，传感器的表面需要持续的与皮肤保持接触才能得到有效的实时生理学检测。因此，柔性汗液场效应传感器（即本发明中的柔性传感器件）由于其特殊的柔软特性和防水功能，使得在汗液检测领域有着巨大前景。

一般来说，场效应晶体管可以分为两类：一类是薄膜晶体管，另一类是电化学晶体管。薄膜晶体管中，半导体的沟道的导电性通过介电层的电容耦合来控制，电流由源极注入半导体并流向漏极可得到开关态。目标分析物被直接注入活性层表层，沟道电流可以通过目标分析物引起的电荷捕获或者参杂来调控。然而在电化学晶体管中，电解质媒介取代了介电层，电流可以通过加电压之后电解质产生的电化学参杂来调控。通过对半导体材料或电极材料的表面修饰，薄膜晶体管传感器可以选择性的检测目标检测物，而基于电化学晶体管的传感器与之不同的是，目标检测物需要注入电解质中才可以被检测。

有机半导体材料普遍沟道迁移率较低，为了实现柔性的生物可兼容汗液离子传感器，在材料设计和选择方面需要有一些创新的方法。过渡金属硫族化合物等二维层状材料，在光电信号的发射、传输、调制、探测等方面体现出诸多优势。带隙的存在使得基于过渡金属硫化物的传感器较基于石墨烯的传感器具有更高的检测灵敏度。在传感器中，目标检测物和二维层状材料界面的结合所引起的电学性能改变主要通过场效应晶体管的器件性能例如迁移率，开关比，阈值电压以及亚阈值摆幅来监测，所以，这种高敏感的电学性能使得将过渡金属硫族化物应用为传感器的沟道材料更加具有吸引力。此外，由于二维层状材料大面积合成方法包括气相沉积和溶液剥离法的发展使得基于二维层状材料传感器的应用变得更加简单。

本发明基于二维层状材料，制造用于实时监测汗液中不同离子的浓度的柔性传感器件10，并制备基于二维层状材料的柔性存储器件20，将柔性传感器件10与柔性存储器件20有效结合成为逻辑电路，从而对所监测到的汗液中离子浓度进行即时的记录，从而实现对汗液进行实时监测。

具体来说，如图2所示，所述柔性传感器件10从下至上依次包括：柔性基底、源极和漏极、二维层状材料（图中标号为30）、介电层、栅极、离子选择薄膜。

柔性传感器件10使用顶栅底接触的晶体管结构，所述柔性基底可以是聚对苯二甲酸（PET）柔性基底，以热蒸发的形式通过掩膜版在柔性基底上制备30纳米厚的金电极，从而形成源极和漏极（沟道长度/宽度= 30微米/ 1000微米）。然后将二维层状材料的分散液将通过旋涂的方法制备在源极和漏极（源极和漏极处于同一层）上，其厚度可通过调节旋涂转速和浓度来调节，再在二维层状材料上通过原子层沉积（ALD）的形式制备20纳米厚氧化铝，作为介电层。然后通过掩膜版沉积的形式制作一层金电极，从而作为栅极。最后将含有选择性离子受体聚合物膜悬涂在柔性薄膜晶体管的栅极区域（作为离子选择薄膜），形成柔性传感器件10。

其中，所述二维层状材料可以通过化学气相沉积，机械剥离，离子插层法或溶液合成法进行合成。在上述合成方法中，溶液合成法有其独特的优点，包括低成本，易调控，易于大规模制造并且可以保留二维层状材料的电学性质和分子结构。此外，采用低温条件下的溶液合成法制备不会破坏柔性衬底，并且采用溶液法合成的二维层状材料与柔性衬底具有兼容性。因此与其他方法相比，溶液合成法制备的二维层状材料在应用于柔性传感器件10中更加有优势。二硫化钼，二硫化钨，二硫化钛，二硫化钽可以用做传感器需要的二维层状材料。

进一步，如图3所示，所述柔性存储器件20从下至上依次包括：柔性基底、栅极、介电层、二维层状材料（图中标号为30）、隧穿层、二维层状材料（亦标为30）、源极和漏极。

柔性存储器件20使用底栅顶接触的晶体管结构，所述柔性基底可以是聚对苯二甲酸（PET）柔性基底上；以热蒸发的形式通过掩膜版在柔性基底上制备将30纳米厚的金电极，从而形成栅极；然后在栅极区域通过原子层沉积（ALD）的形式制备20纳米厚的氧化铝，作为介电层；再将二维层状材料的分散液将通过旋涂的方法制备在介电层上，这层二维层状材料可称为浮栅层，其厚度可通过调节旋涂转速和浓度来调节。再将10纳米厚的氧化铝通过原子层沉积（ALD）制备在浮栅层上，形成隧穿介电层（亦可称隧穿层）。然后将二维层状材料的分散液通过旋涂的方法制备在隧穿层上，该层二维层状材料可称为半导体层。最后以热蒸发的形式通过掩膜版在半导体层上制备将30纳米厚的金电极，从而形成源极和漏极（沟道长度/宽度= 30微米/ 1000微米，处于同一层上）。

柔性存储器件20中的二维层状材料与柔性传感器件10中的二维层状材料相同，故不再赘述。

然后将多个柔性传感器件10组合称为传感器阵列，分别检测钠离子，钾离子和钙离子。将每一柔性存储器件20的栅极与对应一柔性传感器件10的源极相连，柔性存储器件20编程时的高低态将受到柔性传感器件10的影响，因此传感数据能够被柔性存储器件20所即时记录。

本发明还提供一种如上所述的汗液检测系统的制备方法，其其包括步骤：

将多个柔性传感器件组合成为传感器阵列，将每一柔性存储器件的栅极与对应一柔性传感器件的源极相连，所述柔性传感器件为顶栅底接触的晶体管结构，所述柔性存储器件为底栅顶接触的晶体管结构。

进一步，所述柔性传感器件的制备过程包括：

S1、在柔性基底上制备源极和漏极；

S2、在源极和漏极之上制备二维层状材料；

S3、将介电层沉积于二维层状材料之上；

S4、在介电层上沉积栅极；

S5、在栅极上制作离子选择薄膜。

进一步，所述柔性存储器件的制备过程包括：

T1、在柔性基底上沉积栅极；

T2、在栅极上制备介电层；

T3、在所述介电层上制备二维层状材料；

T4、在所述二维层状材料上制备隧穿层；

T5、在所述隧穿层上再次制备二维层状材料；

T6、在步骤T4制备的二维层状材料上制备源极和漏极。

关于上述方法的技术细节在前面的系统中已有详述，故不再赘述。

本发明将二维层状材料应用于健康产业的新型柔性传感器件中，采用低成本、可控性强、易量化生产的溶液合成法合成过渡金属硫族化合物二维层状材料，实现二维层状材料的量化制备。基于合成的二维层状材料，制备具有生物兼容性的同时对钠离子，钾离子和钙离子具有实时检测功能的传感器阵列。同时制备基于二维层状材料的柔性存储器件，将柔性传感器件和柔性存储器件结合成为逻辑电路，使得传感器对汗液中各离子的检测可以被即时的记录。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种汗液检测系统，其特征在于，包括：柔性传感器件和柔性存储器件，所述柔性传感器件为顶栅底接触的晶体管结构，所述柔性存储器件为底栅顶接触的晶体管结构，所述柔性存储器件的栅极与柔性传感器件的源极相连。

2.根据权利要求1所述的汗液检测系统，其特征在于，所述柔性传感器件从下至上依次包括：柔性基底、源极和漏极、二维层状材料、介电层、栅极、离子选择薄膜。

3.根据权利要求1所述的汗液检测系统，其特征在于，所述柔性存储器件从下至上依次包括：柔性基底、栅极、介电层、二维层状材料、隧穿层、二维层状材料、源极和漏极。

4.根据权利要求2或3所述的汗液检测系统，其特征在于，所述二维层状材料为二硫化钼、二硫化钨、二硫化钛或二硫化钽。

5.根据权利要求2或3所述的汗液检测系统，其特征在于，所述介电层的材料为氧化铝。

6.根据权利要求3所述的汗液检测系统，其特征在于，所述隧穿层的材料为氧化铝。

7.根据权利要求2或3所述的汗液检测系统，其特征在于，所述柔性基底的材料为聚对苯二甲酸。

8.一种如权利要求1所述的汗液检测系统的制备方法，其特征在于，其包括步骤：

将多个柔性传感器件组合成为传感器阵列，将每一柔性存储器件的栅极与对应一柔性传感器件的源极相连，所述柔性传感器件为顶栅底接触的晶体管结构，所述柔性存储器件为底栅顶接触的晶体管结构。

9.根据权利要求8所述的汗液检测系统的制备方法，其特征在于，所述柔性传感器件的制备过程包括：

A、在柔性基底上制备源极和漏极；

B、在源极和漏极之上制备二维层状材料；

C、将介电层沉积于二维层状材料之上；

D、在介电层上沉积栅极；

E、在栅极上制作离子选择薄膜。

10.根据权利要求8所述的汗液检测系统的制备方法，其特征在于，所述柔性存储器件的制备过程包括：

A、在柔性基底上沉积栅极；

B、在栅极上制备介电层；

B、在所述介电层上制备二维层状材料；

C、在所述二维层状材料上制备隧穿层；

D、在所述隧穿层上再次制备二维层状材料；

E、在步骤D制备的二维层状材料上制备源极和漏极。