CN108204869A - 基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器及制备方法 - Google Patents

基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器及制备方法 Download PDF

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Abstract

基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器及制备方法，属于压力传感器领域。本发明的压力传感器包括顺次设置的衬底玻璃、有源层、PDMS薄膜层、PDMS微结构层、ITO层和PET层，衬底玻璃上设置有与有源层接触的金属电极，所述的PDMS薄膜层在有源层之上，所述PDMS微结构层包括至少9个PDMS材质的锥形体，所述锥形体的底面与ITO层接触，锥形体的顶端与PDMS薄膜层接触，所述锥形体为自顶端向底面横截面逐渐增大的几何体。本发明提高了受压力时PDMS的形变，极大的提升了器件的压力灵敏度。

Description

基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器及制备方法
技术领域
本发明属于压力传感器领域。
背景技术
压力传感器在个人电子设备和工业监控应用广泛，在很大程度上促进了现代社会科学技术的进步。基于有机材料的柔性压力传感器结合了柔性和低成本的独特优势，在人造智能系统和可穿戴医疗保健设备中有着前景广阔的应用，已经成为一个高度活跃的研究领域。
有机场效应晶体管(Organic field-effect transistor，OFET)已被用作显示面板和传感器设备中的有源元件，并且被认为是在塑料和柔性基板上大面积制造逻辑元件的关键要素。已经有开创性的工作中用OFET作为导电橡胶压力传感器的读出元件，但是低压状态下没有足够的压力敏感特性。近年来出现的OFET压力传感器，采用弹性橡胶作为介电层，但由于弹性体固有的弹性极限及粘弹性蠕变效应，器件的灵敏度、响应时间并不理想。有必要提出一种结构简单、高灵敏度、快响应时间的压力传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有高灵敏度的薄膜晶体管压力传感器及制备方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器，其特征在于，包括顺次设置的的衬底玻璃、有源层、PDMS薄膜层、PDMS微结构层、ITO层和PET层，衬底玻璃上设置有与有源层接触的金属电极，所述的PDMS薄膜层在有源层之上，所述PDMS微结构层包括至少9个PDMS材质的锥形体，所述锥形体的底面与ITO层接触，锥形体的顶端与PDMS薄膜层接触，所述锥形体为自顶端向底面横截面逐渐增大的几何体。
进一步的，所述锥形体的高度为3-20um，底宽为20-30um，相邻锥形体的底面中心间隔为2-10um。所述锥形体为圆锥体或三棱锥体。
进一步的，所述锥形体排列为M*N的阵列，其中M和N皆为大于3的整数。
有源层的厚度为50nm，PDMS薄膜层的厚度为100nm，ITO层的厚度为200nm,PET层的厚度为0.125mm。
本发明还提供一种基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器的制备方法，包括下述步骤：
1)刻蚀加工表面具有锥形槽阵列微结构的硅模具；
2)玻璃基片和ITO/PET柔性衬底清洗；
3)蒸镀源极和漏极：以Au作为源极和漏极的电极材料，在步骤2)处理后的玻璃基片上蒸镀源、漏电极，蒸镀时气压低于3×10-4Pa；
4)制备有源层：在气压低于3×10-4Pa的环境中，在步骤3)处理后的玻璃基片上蒸镀并五苯(Pentacene)，得到有源层薄膜；
5)制备PDMS薄膜层：在有源层薄膜上旋涂PDMS预聚合物，然后在100℃下退火1h；
6)制备PDMS微结构层：在硅模具上旋涂PDMS预聚合物，然后在80℃条件下退火1h，再将清洗后的ITO/PET衬底层压在PDMS薄膜上，在70℃下固化后将薄膜从硅模具上剥离；
7)层压绝缘层和栅极：将步骤5)处理后的玻璃基片和步骤6)处理后微结构层叠压，使PDMS锥形体的顶点与有源层接触。
进一步的，所述步骤1)中的锥形槽(或称为盲孔)为圆锥形槽，或侧棱数为3-12的棱锥形状的槽。
本文所称“锥形槽”是指空腔形状为自顶端向底面横截面逐渐增大的几何体，并不局限于顶端为点的圆锥或棱锥。
所述步骤2)包括：
(2.1)用ITO清洗剂搓洗玻璃基片和ITO/PET柔性衬底，并用去离子水清洗；(2.2)依次用去离子水、丙酮、乙醇对清洗后的玻璃基片和ITO/PET柔性衬底进行超声处理；
(2.3)用氮气将玻璃基片和ITO/PET柔性衬底吹干。
所述步骤3)中，蒸镀速率为待膜层厚度达到10nm之后，调整蒸镀速率至直到蒸镀结束；
所述步骤4)中，并五苯材料加热至180℃，蒸镀速率为
所述步骤5)中，旋涂转速为2000rpm，时间30s
所述步骤6)中，旋涂转速为800rpm，时间40s；剥离薄膜时，先剥起一个小角，然后用乙醇进行超声处理10min后，将薄膜完整剥离；
所述步骤7)中，压力为2.5kPa，处理温度为90℃。
本发明采用旋涂方法，在硅模具上旋涂PDMS预聚体和交联剂混合溶液，剥离后制得表面带有微结构的PDMS薄膜，并以此作为OFET的介电层，提高了受压力时PDMS的形变，极大的提升了器件的压力灵敏度。
附图说明
图1为刻蚀加工的表面具有倒锥形阵列微结构的硅模具示意图。
图2为基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器的空间结构示意图。
图3为基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器的平面示意图。
图4为薄膜晶体管压力传感器的等效电路图。
具体实施方式
实施例1
基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器，其特征在于，包括顺次设置的的衬底玻璃、有源层、PDMS薄膜层、PDMS微结构层、ITO层和PET层，衬底玻璃上设置有与有源层接触的金属电极，所述的PDMS薄膜层在有源层之上，所述PDMS微结构层包括至少9个PDMS材质的锥形体，所述锥形体的底面与ITO层接触，锥形体的顶端与PDMS薄膜层接触。
本发明的“锥形体”是指自顶端向底面横截面逐渐增大的几何体，并不局限于棱锥或圆锥，例如半球状等纵剖面的外缘为曲线的几何体，以及圆台体，都属于本发明的“锥形体”。本文所称的“顶端”亦不局限于一个点，可以是平面或曲面。
所述锥形体的高度为3-20um，底宽为20-30um，相邻锥形体的底面中心间隔为2-10um。所述锥形体为圆锥体或四棱锥体(金字塔形)。
或者，所述锥形体为底面为正N边形(3≤N≤12)，底宽(即底面的多边形外接圆的直径)为20-30um，相邻锥形体的底面中心间隔为2-10um。
进一步的，所述锥形体排列为M*N的阵列，其中M和N皆为大于3的整数。
有源层的厚度为50nm，PDMS薄膜层的厚度为100nm，ITO层的厚度为200nm,PET层的厚度为0.125mm。
实施例2
本实施例与实施例1的区别为，锥形体为圆锥体，圆锥体的高度为3-20um，底面圆形的直径为20-30um，相邻锥形体的底面圆心间隔为2-10um。
实施例3
本发明提供了一种基于基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)刻蚀加工表面具有倒锥形阵列微结构的硅模具；
2)玻璃基片和ITO/PET柔性衬底清洗：
(1.1)设置好超声仪参数：温度30℃，时间20min，功率70w；
(1.2)用ITO清洗剂搓洗玻璃基片和ITO/PET柔性衬底，并用去离子水清洗；
(1.3)将清洗后的玻璃基片和ITO/PET柔性衬底放置在聚四氟乙烯基片架上，再分别放入装有去离子水的烧杯中进行第一步超声处理；
(1.4)取出基片架，依次用丙酮、乙醇对玻璃基片和ITO/PET柔性衬底进行超声处理；
(1.5)用氮气将玻璃基片和ITO/PET柔性衬底吹干。
3)蒸镀源级和漏级：以Au作为源极和漏极的电极材料进行真空蒸镀。在3×10-4Pa的条件下时进行蒸镀，蒸镀速率为厚度达到10nm之后，改变蒸镀速率为直至蒸镀结束；
4)制备有源层：以Pentacene作为有源层材料进行真空蒸镀。在3×10-4Pa以下，对Pentacene加热升温至180℃左右，以左右的蒸镀速率蒸镀厚度为50nm的有源层薄膜。
5)制备PDMS薄膜层：在有源层薄膜上旋涂PDMS预聚合物，转速为2000rpm，时间30s，然后在100℃下退火1h；
6)制备PDMS微结构层：在硅模具上旋涂PDMS预聚体和交联剂混合溶液，转速为800rpm，时间40s，然后在80℃条件下退火1h，再将ITO/PET衬底层压在PDMS薄膜上，在70℃下固化4h后将薄膜从硅模具上剥离；
7)层压绝缘层和栅极：将步骤4)处理后的玻璃基片和步骤5)处理后薄膜层压在一起。
步骤5)中PDMS预聚体和交联剂混合溶液的配制：
将PDMS预聚体和交联剂按质量比10:1混合，然后用正己烷稀释至质量分数为10％，最后加入磁力搅拌子并放置在磁力搅拌台上搅拌30min，形成均匀的预聚合物。
如图1所示是刻蚀加工的表面具有倒锥形阵列微结构的硅模具，在模具上旋涂PDMS预聚合物，在70℃条件下退火1h，再将柔性衬底层压在其表面，在70℃下固化4h后即可剥离得到表面具有倒锥形阵列微结构的PDMS薄膜。
如图4所示是薄膜晶体管压力传感器的等效电路示意图，施加压力时，PDMS介电层发生形变，电容Cgap会发生变化，从而会改变源漏电流的大小。由于PDMS薄膜表面具有微结构，因此灵敏度得到了极大的提升，可以用于触摸压力、人体桡动脉搏等的检测。

Claims (8)

1.基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器，其特征在于，包括顺次设置的的衬底玻璃、有源层、PDMS薄膜层、PDMS微结构层、ITO层和PET层，衬底玻璃上设置有与有源层接触的金属电极，所述的PDMS薄膜层在有源层之上，所述PDMS微结构层包括至少9个PDMS材质的锥形体，所述锥形体的底面与ITO层接触，锥形体的顶端与PDMS薄膜层接触，所述锥形体为自顶端向底面横截面逐渐增大的几何体。
2.如权利要求1所述的基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器，其特征在于，所述锥形体的高度为3-20um，底宽为20-30um，相邻锥形体的底面中心间隔为2-10um。
3.如权利要求2所述的基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器，其特征在于，所述锥形体为圆锥体或四棱锥体。
4.如权利要求1所述的基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器，其特征在于，所述锥形体排列为M*N的阵列，其中M和N皆为大于3的整数。
5.如权利要求1所述的基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器，其特征在于，有源层的厚度为50nm，PDMS薄膜层的厚度为100nm，ITO层的厚度为200nm,PET层的厚度为0.125mm。
6.基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)刻蚀加工表面具有锥形槽阵列微结构的硅模具；
2)玻璃基片和ITO/PET柔性衬底清洗；
3)蒸镀源极和漏极：以Au作为源极和漏极的电极材料，在步骤2)处理后的玻璃基片上蒸镀源、漏电极，蒸镀时气压低于3×10-4Pa；
4)制备有源层：在气压低于3×10-4Pa的环境中，在步骤3)处理后的玻璃基片上蒸镀并五苯，得到有源层薄膜；
5)制备PDMS薄膜层：在有源层薄膜上旋涂PDMS预聚合物，转速为2000rpm，时间30s，然后在100℃下退火1h；
6)制备PDMS微结构层：在硅模具上旋涂PDMS预聚合物，然后在80℃条件下退火1h，再将清洗后的ITO/PET衬底层压在PDMS薄膜上，在70℃下固化后将薄膜从硅模具上剥离；
7)层压绝缘层和栅极：将步骤4)处理后的玻璃基片和步骤5)处理后薄膜层叠压，使PDMS锥形体的顶端与有源层接触。
7.如权利要求6所述的基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器的制备方法，其特征在于，
所述步骤1)中的锥形槽为圆锥形槽，或侧棱数为3-12的棱锥。
所述步骤2)包括：
(2.1)用ITO清洗剂搓洗玻璃基片和ITO/PET柔性衬底，并用去离子水清洗；
(2.2)依次用去离子水、丙酮、乙醇对清洗后的玻璃基片和ITO/PET柔性衬底进行超声处理；
(2.3)用氮气将玻璃基片和ITO/PET柔性衬底吹干。
8.如权利要求6所述的基于微结构介电层的薄膜晶体管压力传感器的制备方法，其特征在于，
所述步骤3)中，蒸镀速率为待膜层厚度达到10nm之后，调整蒸镀速率至直到蒸镀结束；
所述步骤4)中，并五苯材料加热至180℃，蒸镀速率为
所述步骤5)中，旋涂转速为2000rpm，时间30s；
所述步骤6)中，旋涂转速为800rpm，时间40s；剥离薄膜时，先剥起一个小角，然后用乙醇进行超声处理10min后，将薄膜完整剥离；
所述步骤7)中，压力为2.5kPa，处理温度为90℃。
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