CN108955960A - 一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及柔性人工电子皮肤,特指一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器。其包括由上至下的作为上基体的ITO‑PET导电薄膜、PDMS微结构栅介质,源、漏电极和位于两电极之间的沟道,KH550‑GO栅介质、作为下基体的ITO‑PET导电薄膜。KH550‑GO作为第一栅介质;具有微结构的PDMS薄膜作为传感器的第二栅介质层。KH550‑GO固态电解质结构疏松,且具有微介孔通道.此微介孔通道为吸收、储存空气中的水分子以及H质子迁移提供了场所和途径.具有微结构的PDMS第二栅介质可以提高传感器的灵敏度;施加的压力诱导PDMS的微结构发生变化,从而改变了介质层电容,最终沟道电流也会随之变化。
Description
技术领域
本发明涉及柔性人工电子皮肤技术领域,特指一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器。
背景技术
柔性触觉传感器是属于柔性电子传感器的一种,可以模仿人类触觉感知功能,触觉感知是通过触觉传感元件来识别接触物体和对象的各种物理信息。触觉传感单元通常由具有可延展性的材料或结构制成。传统的触觉传感器按照转换原理的不同,通常可以分为压电式、压阻式、电容式、光电式、电磁式等等。压电式触觉传感器具有很多优点,例如性能稳定、灵敏度高、响应快等,但同样具有不足之处,即处理电路复杂、不能进行静态测量;压阻式触觉传感器的优点是精度高,缺点是性能受到表面弹性层的影响比较大;电容式触觉传感器具有易于柔性化与微型化、动态性能优越等优点,但其对噪音较敏感;光电式触觉传感器的优点是抗干扰性较强,缺点是对于整体的柔性化难以实现;电磁式触觉传感器的优点是动态范围大,线性度好,缺点是容易受到电磁干扰。近年来,氧化物薄膜晶体管在压力传感器领域的应用也引起了广泛的关注,氧化物薄膜晶体管式的压力传感器具备优异的灵活性、低成本以及大面积制造的潜力,而且它还具有信息传导和放大的综合功能。因此,在理论上,氧化物薄膜晶体管是超灵敏压力检测应用的理想选择。
对于以氧化物薄膜晶体管原理设计的柔性触觉传感器,当外力施加时,PDMS膜会发生变形,从而导致电容会随着加载压力的变化而变化,而在恒定栅极电压下,沟道电流也会随之发生变化。为了放大变形效果,还可以改变介质层的结构。潘力佳等人(中国专利申请号:201710042874.7)提供了一种利用具有微结构介质层的高灵敏度电容型柔性压力传感器,微结构介质层的形状存在大小不一的尺寸,进一步扩大可测范围。
本发明专利提供了一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器;提出KH550-GO和PDMS双栅介质层的结构,并且各栅介质层的结构不同。KH500-GO为薄膜结构,PDMS具备微结构。氧化物薄膜晶体管的柔性触觉传感器将在人工电子皮肤领域具备广阔的应用前景,因此设计和开发具有简单工艺的高灵敏度新型触觉传感器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器。(1)利用KH550和GO之间的缩氨反应,采用水浴加热法制备KH550-GO复合溶液。(2)利用旋涂法将KH550-GO复合溶液旋涂在作为下基体的ITO-PET导电薄膜(市场上可以直接买到,具有ITO电极层的PET塑料薄膜)上,烘干后制备成膜,形成第一层栅介质。(3)利用通过磁控溅射技术在制备好KH550-GO薄膜上自组装后形成ITO源漏电极和沟道,其中电极厚度为150nm,沟道厚度为30nm。(4)制备具有微结构的硅模;(5)利用硅模制备具有规则的金字塔型微结构的PDMS,作为第二栅介质层,具体步骤:将制备好的PDMS溶液倒入硅模具之中,并在模具表面形成一层PDMS膜,再将作为上基体的ITO-PET导电薄膜压到上面,在上基体上放置1kg的重物以加强电极层与模具之间的接触,去除挤出多余的PDMS,之后放置70℃-80℃烘台上,将PDMS薄膜固化3h,最后剥离硅模。
本发明解决其关键问题所采用的技术方案为:一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器,如图2所示:特征在于:包括由上至下的作为上基体的ITO-PET导电薄膜、PDMS微结构栅介质,源、漏电极和位于两电极之间的沟道,KH550-GO栅介质、作为下基体的ITO-PET导电薄膜。KH550-GO作为第一栅介质;具有微结构的PDMS薄膜作为传感器的第二栅介质层;选择PET材料作为上、下基体;通过磁控溅射工艺制造ITO源、漏电极和沟道。
本发明以KH550-GO固态电解质作为第一栅介质:图1表明KH550-GO固态电解质的结构呈现出不规则的微介孔状,KH550-GO固态电解质结构疏松,且具有微介孔通道.此微介孔通道为吸收、储存空气中的水分子以及H质子迁移提供了场所和途径;具有微结构的PDMS第二栅介质可以提高传感器的灵敏度;施加的压力诱导PDMS的微结构发生变化,从而改变了介质层电容,最终沟道电流也会随之变化。以PET为材料的上、下基体。不仅可以提高较好的延展性,而且PET膜与ITO之间的粘附强度较好。
作为优先,所述的ITO-PET导电薄膜,厚度为0.175mm,电阻为15Ω。
所述的KH550-GO薄膜,厚度为5nm-10nm。
所述的具有微结构的PDMS栅介质层,厚度为25-30um
与传统触觉传感器相比,本发明在提高柔性触觉传感器整体性能方面具有如下优势:
本发明开发了一种具有氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器,KH550-GO固态电解质表面呈现出不规则的微介孔状,结构疏松,且具有微介孔通道。此微介孔通道为吸收、储存空气中的水分子以及H质子迁移提供了场所和途径。施加的压力诱导PDMS的微结构发生变化,电容也随之变化,从而导致沟道电流也发生变化。另外,电活性层和柔性衬底之间的粘附性决定了压力传感器的寿命。为了增加电极与基体的粘附性,采用磁控溅射技术在PET基体上制备ITO电极。该发明制备工艺与传统基本工艺兼容,不需改变其他现有生产设备,适于大规模生产。
附图说明
图1KH550-GO固态电解质的SEM表面形貌。
图2为本发明一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器结构示意图。
图中:1-作为上基体的ITO-PET导电薄膜,2-PDMS微结构栅介质,3-ITO沟道,4-ITO源、漏电极,5-KH550-GO栅介质,6-作为下基体的ITO-PET导电薄膜。
具体实施方式:
本发明一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器制备方法包括如下步骤:
1.清洗两片ITO-PET导电薄膜;
2.在作为下基体的ITO-PET导电薄膜上制备第一层栅介质(KH550-GO);
3.在第一层栅介质上沉积ITO源漏电极和沟道;
4.制备微结构模板;
5.在作为上基体的ITO-PET导电薄膜上制备第二层微结构栅介质(PDMS);
6.将制备在上基体上的PDMS压在KH550-GO上,使PDMS与KH550-GO接触。
实施例1:
1.将作为上基体和下基体的两片ITO-PET导电薄膜分别用酒精和去离子水各超声1h。
2.在作为下基体的ITO-PET导电薄膜上制备KH550-GO固态电解质薄膜
以二甲基甲酰胺(DMF)作为分散剂,配制浓度为2mg/mL的氧化石墨烯分散液;为提高氧化石墨烯分散液的分散特性,配置过程中采用超声波振动30min.其次,将氧化石墨烯分散液加入KH550溶液中,其中氧化石墨烯分散液:KH550的体积比为1:20,进行接枝反应,反应时采用磁力搅拌机搅拌24h,温度为70℃,最终得到KH550-GO复合溶液.然后,按体积比1:1:1取KH550-GO复合溶液、去离子水和酒精混合,使KH550-GO水解,其中水解温度为35℃,时间为2h.最后将水解后的复合溶液旋凃到作为下基体的ITO-PET导电薄膜上,并在烘干台上烘干2h,温度为70℃。
3.在第一层栅介质上制备ITO源、漏电极和沟道
通过自组装工艺在KH550-GO薄膜上沉积源漏极和沟道;一:在室温下,打开供电电源,打开充气阀,开腔,放置好沉积在ITO-PET导电薄膜上的KH550-GO薄膜,关腔,关闭充气阀,所用靶材为银靶。二:打开真空计、机械泵、电磁阀抽30s,打开分子泵,关闭电磁阀。打开循环水,打开V1阀抽至20Pa以下,开Ar阀,抽至4.0Pa以下,关闭V1阀。三:打开Ar钢瓶,切换分子泵。关闭真空计,打开流量显示,阀控调成14sccm。四:关小G阀,调节压强:2.2Pa,打开靶挡板。开射频电源,打开步进电极,正转。五:预溅射2min,等待各参数稳定,调节G阀,压强:0.5Pa。该磁控溅射工艺参数:真空压强为3.5x10-3Pa;工作压强为0.5Pa;所用Ar流量为14sccm;功率为100W;溅射时间为15min,溅射完成后,会沉积150nm厚的ITO源漏电极,由于溅射过程中会发生衍射,在镍掩模板覆盖的区域也会沉积部分ITO颗粒,因此ITO源、漏电极形成的同时,源漏电极之间形成厚度为30nm的ITO沟道层。由于ITO的导电性依赖于沉积的厚度,所以ITO既可以作为电极也可以作为沟道。
4.光刻工艺制造PDMS微结构模板。
旋涂:将处理过的硅片放在匀胶机的承载台上,利用胶头滴管将光刻胶均匀的滴涂在处理过的硅片,先设定匀胶速度1000转/分钟转10秒,然后改变转速为3000转/分钟转20秒;前烘:旋涂之后的硅片放置在烘胶台上进行烘胶,温度100,时间5min;
对版:将掩膜版利用四个压片固定在掩膜架上,将硅片放置在承载台上,按下升降按钮,承载台借助空气压塑机推动上升,在接触到掩膜版后自动找平,仪器分离灯亮,按吸片键;曝光:对版操作完成之后,转动曝光头,使光源处于掩膜版正上方,曝光快门自动打开,进行曝光;显影:首先配比显影液。称取3g的KOH固体,放入烧杯,缓慢加入去离子水至10g,配置成30%的KOH溶液。将曝光后的硅片浸入配好显影液中,10秒。之后将硅片转移至去离子水中清洗,氮气吹干;坚膜:将显影之后的硅片放置于130℃-170℃之间烘烤15min。目的是为了加强对衬底的附着能力和抗腐蚀能力;刻蚀:缓冲氢氟酸(体积百分比49%HF水溶液)作为刻蚀液,刻蚀没有被光刻胶保护的一面。最后使用丙酮溶液剥离光刻胶。
5.在作为上基体的ITO-PET导电薄膜上制备具有规则的金字塔型微结构的PDMS栅介质
在室温下,在市场上购买到道康宁Sylgard184硅橡胶是液体组分组成的双组分套件产品,将其中的硅橡胶主剂(PDMS(聚二甲基硅氧烷))和硅橡胶固化剂,以质量比10:1比例混合,利用磁力搅拌器进行均匀混合。对混合后的材料进行抽真空脱泡处理1-1.5h,得到PDMS;在具有微结构的硅模上,倒入经真空脱泡过的PDMS粘稠液,再将作为上基体的ITO-PET导电薄膜压到上面,在衬底上放置1kg的重物以加强电极层与模具之间的接触,去除挤出多余的PDMS,之后放置70℃-80℃烘台上,将PDMS薄膜固化3h,最后剥离硅模。
6、将制备有PDMS的上基体与旋涂有KH550-GO薄膜的下基体合在一起,使PDMS与KH550-GO接触。
Claims (6)
1.一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器,其特征在于:所述柔性触觉传感器的结构为由上至下的作为上基体的ITO-PET导电薄膜、PDMS微结构栅介质,源、漏电极和位于两电极之间的沟道,KH550-GO栅介质、作为下基体的ITO-PET导电薄膜;KH550-GO作为第一栅介质;具有微结构的PDMS薄膜作为传感器的第二栅介质层;KH550-GO固态电解质的结构呈现出不规则的微介孔状,KH550-GO固态电解质结构疏松,且具有微介孔通道.此微介孔通道为吸收、储存空气中的水分子以及H质子迁移提供了场所和途径;具有微结构的PDMS第二栅介质可以提高传感器的灵敏度;施加的压力诱导PDMS的微结构发生变化,从而改变了介质层电容,最终沟道电流也会随之变化。
2.如权利要求1所述的一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器,其特征在于:所述的ITO-PET导电薄膜,厚度为0.175mm,电阻为15Ω。
3.如权利要求1所述的一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器,其特征在于:所述的KH550-GO薄膜,厚度为5nm-10nm。
4.如权利要求1所述的一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器,其特征在于:所述的具有微结构的PDMS栅介质层,厚度为25-30um。
5.如权利要求1所述的一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)利用KH550和GO之间的缩氨反应,采用水浴加热法制备KH550-GO复合溶液;
(2)利用旋涂法将KH550-GO复合溶液旋涂在作为下基体的ITO-PET导电薄膜上,烘干后制备成膜,形成第一层栅介质;
(3)利用通过磁控溅射技术在制备好KH550-GO薄膜上自组装后形成ITO源漏电极和沟道;
(4)制备具有微结构的硅模;
(5)利用硅模制备具有规则的金字塔型微结构的PDMS,作为第二栅介质层;
(6)将制备在上基体上的PDMS压在KH550-GO上,使PDMS与KH550-GO接触。
6.如权利要求5所述的一种氧化物薄膜晶体管式的柔性触觉传感器的制备方法,其特征在于,步骤(5)中所述的利用硅模制备具有规则的金字塔型微结构的PDMS,作为第二栅介质层具体步骤为:将制备好的PDMS溶液倒入硅模具之中,并在模具表面形成一层PDMS膜,再将作为上基体的ITO-PET导电薄膜压到上面,在上基体上放置1kg的重物以加强电极层与模具之间的接触,去除挤出多余的PDMS,之后放置70℃-80℃烘台上,将PDMS薄膜固化3h,最后剥离硅模。
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