CN109307564B - 一种基于纳米压电材料的集成化柔性触觉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纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器，由柔性基底、有机半导体薄膜层、源/漏电极、栅介质层、栅电极层、纳米压电薄膜层和上电极层构成；所述有机半导体薄膜层、源/漏电极、栅介质层、栅电极层构成有机半导体薄膜晶体管；所述纳米压电薄膜层为四脚针状氧化锌纳米结构压电薄膜层。本发明实现了高灵敏度、高分辨率、高信噪比和抗干扰能力强的集成化柔性触觉传感器，工艺简单、成本低廉并且可大面积阵列化制备，能广泛应用于电子皮肤和仿生机器人等多个领域。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器及其制备方法。
背景技术
随着信息化与工业化的深度融合，以机器人为代表的智能产业蓬勃发展，触觉传感器是机器人实现与环境直接作用的必需媒介，是机器人智能化的核心器件。触觉传感器不仅可以获取机器人的手与物体的接触位置以及接触力的分布函数，而且可以获取视觉无法获取的物体信息，如震动特性、热传递特性、机械特性等。近年来，可穿戴智能电子系统应用日益广泛，柔性化触觉传感器及其阵列在未来的人机交互、机器人、健康医疗等领域具有广阔的应用前景。
柔性触觉传感器按信息传导机制的不同主要分为电阻式、电容式、压电式三大类。电阻式触觉传感器普遍存在较差的长期稳定性或耐久性、迟滞效应明显、需要外部供电等问题，制约其高端应用。电容式触觉传感器存在寄生电容、电磁干扰和阵列单元间的邻近串扰等现象，从而影响器件性能。相对而言，压电式传感器具有较高的灵敏度、动态响应、低能耗和自供能等优势，且其性能与接触对象无关，在发展快速动态响应、低能耗、自供能的柔性触觉传感器方面具有重要价值，可广泛应用于人机交互、机器人、生物医学器件等领域。
压电式触觉传感器对压力的响应信号是电荷量的变化，不能直接接入电路系统中进行集成，因此需要经电荷放大器后接入后端电路系统。为了解决这一问题，将压电传感单元与晶体管放大器集成，以实现将外部压力响应直接变成电流信号(或电压信号)，从而获取复杂的信息。传统的集成化压电式触觉传感器通常采用压电单元与硅基MOSFET电荷放大器集成后接入后端电路系统，其中压电材料充当触觉敏感元件，MOSFET用作阵元开关和电荷放大器。尽管基于硅单晶MOSFET工艺成熟、集成度高，然而却难以适用大面积、柔性化、低成本的传感集成领域的应用。为满足可穿戴电子系统的应用需求，目前的柔性集成化压电式触觉传感器大都采用聚偏氟乙烯(PVDF)或聚偏氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)压电敏感单元与有机薄膜晶体管(OTFT)集成后再接入后端电路。然而，与无机压电材料相比，基于有机压电材料的触觉传感器虽柔韧性好，但其低的压电系数导致低灵敏度。因此，如何解决柔性集成化压电式触觉传感器高柔韧性和高灵敏度之间矛盾，开发兼具高柔韧性、高灵敏度、易大面积制作、低成本加工等一直是学术界和产业界关注的热点。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器，兼具高灵敏度和高柔性的优点。
本发明的另一目的在于提供一种基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器的制备方法，制备工艺简单，可大面积生产。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器，由柔性基底、有机半导体薄膜层、源/漏电极、栅介质层、栅电极层、纳米压电薄膜层和上电极层构成；
所述有机半导体薄膜层、源/漏电极、栅介质层、栅电极层构成有机半导体薄膜晶体管；
所述纳米压电薄膜层为为四脚针状氧化锌(T-ZnO)纳米晶须结构压电薄膜层；
当所述集成化柔性触觉传感器的压电薄膜上受到外界压力后，压电薄膜上感应的电荷量在栅极上积累，经有机半导体晶体管，将电荷信号转换为电压或电流信号传送到后端处理电路。
所述有机半导体晶体管薄膜层为2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩、并五苯或聚3-己基噻吩。
所述柔性基底为聚酰亚胺柔性材料。
所述栅电极层为锌膜、银膜或铝膜。
所述上电极层为锌膜、银膜或铝膜。
所述基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在柔性基底沉积有机半导体薄膜，形成有机半导体薄膜晶体管的有源层；
(2)在有源层上沉积金属薄膜层形成薄膜晶体管的源、漏电极；
(3)在具有源/漏电极的基片上沉积有机绝缘膜，形成薄膜晶体管的栅介质层；
(4)在有机绝缘膜上制备金属电极形成有机半导体薄膜晶体管的栅电极；
(5)在栅电极上旋涂T-ZnO纳米晶须形成压电薄膜层；
(6)在T-ZnO纳米压电薄膜上制备金属电极形成压电传感器的上电极。
所述在栅电极上旋涂T-ZnO纳米晶须形成压电薄膜，具体为：
将T-ZnO纳米晶须溶解于丙酮-二甲基甲酰胺混合液中，经超声处理后采用旋涂工艺将T-ZnO纳米晶须的混合液涂敷在栅电极上，形成纳米压电薄膜层。
本发明采用的四脚针状氧化锌(T-ZnO)纳米材料兼具优良压电特性和超强柔韧性，利用有机TFT做前置放大，组成一个高灵敏度和高柔性的集成压电式触觉传感器，集成化柔性触觉传感器的压电薄膜上受到外界压力后，压电薄膜上感应的电荷量在栅极上积累，经有机半导体晶体管，将电荷信号转换为电压或电流信号传送到后端处理电路。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器，采用T-ZnO纳米材料作为压电敏感层，与普通触觉传感器和压力传感器相比，具有更高的灵敏度和分辨率；
2、本发明基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器，以聚酰亚胺为柔性基底，有机薄膜晶体管单元、T-ZnO压电敏感单元皆为高柔韧性材料，与传统集成式触觉传感器相比，具有更加优良的柔性，可以实现传感器的弯曲变形，能够更好的贴合机器人皮肤表面，实现对触觉力和压觉力的检测，提高了传感器的适用性；
3、本发明基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器制备工艺简单，成本低廉，易于阵列化。
4、本发明基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器，与现有集成化柔性触觉传感器相比，更好地解决了高灵敏性和高柔韧性之间的矛盾，有效提高了传感器的增益、信噪比和抗干扰能力，更便于应用于各种可穿戴智能电子系统、机器人感知系统、生物医学器件。
附图说明
图1为本发明的集成化柔性触觉传感器的剖面结构示意图。
图2为本发明的实施例的步骤1.1中在PET基底上沉积有机半导体薄膜。
图3为本发明的实施例的步骤1.2中沉积源/漏电极。
图4为本发明的实施例的步骤1.3中沉积栅介质层。
图5为本发明的实施例的步骤1.4蒸镀金属薄膜形成栅电极。
图6为本发明的实施例的步骤2.2旋凃法形成T-ZnO纳米压电薄膜层。
图7为本发明的实施例的步骤2.3蒸镀金属形成上电极。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明的基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器在结构上由有机薄膜晶体管和压电传感器集成而成。如图1所示，所述集成化柔性触觉传感器由下至上依次由柔性基底1、有机半导体薄膜层2、源电极301和漏电极302、栅介质层4、栅电极层501、四脚针状氧化锌(T-ZnO)纳米结构压电薄膜层6、上电极层502构成。
本发明的集成化柔性触觉传感器原理为：
本发明采用的T-ZnO纳米材料兼具优良压电特性和超强柔韧性，利用有机TFT做前置放大，组成一个高灵敏度和高柔性的集成压电式触觉传感器，当压电传感器受到外界压力后，压电薄膜上感应的电荷量在栅极上积累，经有机半导体薄膜晶体管，将电荷量转换为电信号传送到后端处理电路。
本发明集成化柔性触觉传感器的制备方法依下列步骤进行：
(1)有机薄膜晶体管制备，其步骤包括：
步骤1.1：在柔性基底上真空蒸镀、旋涂方法在柔性基底沉积有机半导体薄膜，形成薄膜晶体管的有源层，如图2所示；
步骤1.2：在有源层上沉积导电金属薄膜层，刻蚀形成薄膜晶体管的源/漏电极，如图3所示；
步骤1.3：在具有源/漏电极的半导体薄膜上沉积有机绝缘膜，形成薄膜晶体管的栅介质层；如图4所示；
步骤1.4：采用真空蒸发法在绝缘膜上制备金属电极作为栅电极，如图5所示；
(2)压电传感器的制备，其步骤为：
步骤2.1：将纯锌粉放在石英舟中，然后将石英舟放置在石英管炉恒温区，加热至900℃，通过热蒸发法石英舟得到T-ZnO纳米晶须材料。
步骤2.2：将T-ZnO纳米晶须溶解于丙酮-二甲基甲酰胺(DMF)混合液中，超声均匀后采用旋凃工艺将T-ZnO纳米材料的混合液涂敷在栅电极上，形成T-ZnO纳米压电薄膜层，如图6所示；
步骤2.3：在压电薄膜上制备金属电极形成压电传感器的上电极，如图7所示。
本实施例的有机半导体晶体管薄膜层可为2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩、并五苯或聚3-己基噻吩。
本实施例的柔性基底可为聚酰亚胺柔性材料。
本实施例的栅电极层可为锌膜、银膜或铝膜。
本实施例的上电极层可为锌膜、银膜或铝膜。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述集成化柔性触觉传感器由下至上依次由柔性基底、有机半导体薄膜层、源电极、漏电极、栅介质层、栅电极层、四脚针状氧化锌纳米结构压电薄膜层、上电极层构成；
所述有机半导体薄膜层为2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩、并五苯或聚3-己基噻吩；所述有机半导体薄膜层、源/漏电极、栅介质层、栅电极层构成有机半导体薄膜晶体管；
所述集成化柔性触觉传感器原理为：
四脚针状氧化锌纳米结构压电薄膜层利用有机半导体薄膜晶体管做前置放大，组成一个高灵敏度和高柔性的集成压电式触觉传感器，当受到外界压力后，四脚针状氧化锌纳米结构压电薄膜层上感应的电荷量在栅电极层上积累，经有机半导体薄膜晶体管，将电荷量转换为电信号传送到后端处理电路；
所述集成化柔性触觉传感器的制备方法依下列步骤进行：
（1）有机半导体薄膜晶体管制备，其步骤包括：
步骤1.1：在柔性基底上采用真空蒸镀或旋涂方法在柔性基底沉积有机半导体薄膜层，形成薄膜晶体管的有源层；
步骤1.2：在有机半导体薄膜层上沉积导电金属薄膜层，刻蚀形成薄膜晶体管的源电极和漏电极；
步骤1.3：在具有源电极和漏电极的有机半导体薄膜层上沉积有机绝缘膜，形成薄膜晶体管的栅介质层；
步骤1.4：采用真空蒸发法在绝缘膜上制备金属电极作为栅电极；
（2）压电传感器的制备，其步骤为：
步骤2.1：将纯锌粉放在石英舟中，然后将石英舟放置在石英管炉恒温区，加热至900℃，通过热蒸发法得到四脚针状氧化锌纳米晶须；
步骤2.2：将四脚针状氧化锌纳米晶须溶解于丙酮-二甲基甲酰胺混合液中，超声均匀后采用旋涂工艺将四脚针状氧化锌纳米材料的混合液涂敷在栅电极上，形成四脚针状氧化锌纳米结构压电薄膜层；
步骤2.3：在四脚针状氧化锌纳米结构压电薄膜层上制备金属电极形成上电极层。
2.根据权利要求1所述的基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述柔性基底为聚酰亚胺柔性材料。
3.根据权利要求1所述的基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述栅电极层为锌膜、银膜或铝膜。
4.根据权利要求1所述的基于纳米压电材料的集成化柔性触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述上电极层为锌膜、银膜或铝膜。
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