CN110123279A - 一种可拉伸的光电传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可拉伸的光电传感器及其制备方法，所述可拉伸的光电传感器包括：衬底，设置在所述衬底上的可拉伸电极，设置在所述可拉伸电极上的介质层；所述可拉伸电极包括源极、漏极以及栅极；所述源极和所述漏极沿所述可拉伸电极的拉伸方向排列，所述源极和所述漏极之间设置有有源层。可拉伸电极可以进行拉伸，适合安装在人体关节等处，运动过程中有着更好的贴敷性，抗干扰能力强，自适应性能好的优点，同时加工工艺简单，成本低。在对可拉伸电极进行拉伸时，源极和漏极是沿拉伸方向排列的，并不会影响源极和漏极之间的结构，也就不会影响光电传感器的性能。

Description

一种可拉伸的光电传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电传感器技术领域，尤其涉及的是一种可拉伸的光电传感器及其制备方法。
背景技术
在临床医学领域里，人体各种生理信号比如脉搏、血压、血氧饱和度、心率等是进行疾病诊断、病理分析、疗效评估的重要依据。因此，研制一种便携、无创，且能探测各种人体生理信号的智能化可穿戴式设备符合科技医疗发展的潮流。其中，光电传感器可用来探测血液容积的脉动变化，并从中提取反映心搏功能、血液流动等诸多血管的主要信息，这种方法被称为光电容积脉搏波描记法。现有技术中，基于光电容积脉搏波描记法的光电传感器大多由硅（Si）和III-V族半导体等无机半导体材料制备而成，其中少数采用柔性衬底制备。由于人体皮肤在运动状态下，尤其是关节处，会有一定程度的延展和收缩，然而现有的光电传感器却存在无法拉伸的问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可拉伸的光电传感器及其制备方法，旨在解决现有技术中光电传感器无法拉伸的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种可拉伸的光电传感器，其中，包括：衬底，设置在所述衬底上的可拉伸电极，设置在所述可拉伸电极上的介质层；所述可拉伸电极包括源极、漏极以及栅极；所述源极和所述漏极沿所述可拉伸电极的拉伸方向排列，所述源极和所述漏极之间设置有有源层，所述栅极位于所述有源层上。
所述的可拉伸的光电传感器，其中，所述源极包括：沿所述可拉伸电极的拉伸方向依次连接的第一封装焊接部、第一引线部以及第一接触部，所述漏极包括：沿所述可拉伸电极的拉伸方向依次连接的第二接触部、第二引线部以及第二封装焊接部；所述第一引线部和所述第二引线部均采用蛇形结构，所述第一接触部和所述第二接触部相对设置并嵌入所述有源层内。
所述的可拉伸的光电传感器，其中，所述第一接触部和所述第二接触部均采用弯曲结构，所述第一接触部和所述第二接触部之间具有第一间隙，所述第一间隙的宽度为0.1-0.3mm。
所述的可拉伸的光电传感器，其中，所述栅极包括：沿所述可拉伸电极的拉伸方向依次连接的门控部、第三引线部以及第三封装焊接部；所述第三引线部采用蛇形结构，所述门控部与所述第一接触部相对设置。
所述的可拉伸的光电传感器，其中，所述门控部采用弯曲结构，所述门控部与所述第一接触部之间具有第二间隙，所述第二间隙的宽度为1-3mm。
所述的可拉伸的光电传感器，其中，所述有源层包括：设置在所述衬底上的量子点层和设置在所述量子点层上的异质结层；所述异质结层包括：电子给体、电子受体以及添加剂。
所述的可拉伸的光电传感器，其中，所述电子给体为有机聚合物半导体，比如，PDPP2T-TT-OD，DPP-DTT，或者聚-3已基噻吩及其系列聚合物，P3HT，所述电子受体为富勒烯衍生物，比如[6,6]-苯基C61丁酸甲酯，[6,6]-苯基C71丁酸甲酯，所述添加剂为热塑性弹性绝缘体。
所述的可拉伸的光电传感器，其中，所述量子点层中量子点的PL峰值为650-700nm。
所述的可拉伸的光电传感器，其中，所述介质层采用透明介质层，所述介质层为掺杂锂盐的离子凝胶膜；所述锂盐为双氟磺酰亚胺锂盐。
一种如上述任意一项所述的可拉伸的光电传感器的制备方法，其中，包括以下步骤：
采用甩胶的方法制备衬底；
通过热蒸镀的方法在衬底上制备可拉伸电极；
在漏极和源极之间设置有源层；
在可拉伸电极上制备介质层。
有益效果：可拉伸电极可以进行拉伸，适合安装在人体关节等处，运动过程中有着更好的贴敷性，抗干扰能力强，自适应性能好的优点，同时加工工艺简单，成本低。在对可拉伸电极进行拉伸时，源极和漏极是沿拉伸方向排列的，并不会影响源极和漏极之间的结构，也就不会影响光电传感器的性能。
附图说明
图1是本发明可拉伸的光电传感器的截面图。
图2是本发明可拉伸的光电传感器的立体图。
图3是本发明可拉伸电极的俯视图。
图4是本发明介质层为掺杂锂盐的离子凝胶的可拉伸的近红外光电传感器与介质层没有掺杂锂盐的离子凝胶的可拉伸的近红外光电传感器在不同光密度下的响应度对比图。
图5是为本发明可拉伸的光电传感器在不同拉伸情况下黑暗和光照下的转移曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例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。
请同时参阅图1-图5，本发明提供了一种可拉伸的光电传感器的一些实施例。
在健康监测领域，由于现有的智能穿戴式设备存在质地坚硬，佩戴不舒适，易受干扰等问题，之后人们开始研究柔性可穿戴式设备。然而柔性光电传感器虽然轻薄、柔性，但是由于其不可拉伸性，柔性光电传感器并不适合应用于人体可植入式设备，在运动过程中器件的性能易受到拉力的影响。
如图1和图2所示，本发明的一种可拉伸的光电传感器，光电传感器采用晶体管结构，包括：衬底1，设置在所述衬底1上的可拉伸电极，设置在所述可拉伸电极上的介质层6；所述可拉伸电极包括源极2、漏极3以及栅极7；所述源极2和所述漏极3沿所述可拉伸电极的拉伸方向排列，所述源极2和所述漏极3之间设置有源层。其工作原理为：当源极接地，栅极7和漏极3施加一定的电压，根据场诱导效应，有源层与介质层6界面处产生载流子积累，形成沟道电流。当栅-源电压<0V，晶体管处于积累区时，有源层与介质层6界面处感应形成空穴层；当栅-源电压>0V，晶体管处于耗尽区时，有源层与介质层6界面处感应形成电子层，入射光照射时，异质结层给体材料的电子吸收光子能量进行能级跃迁，原来的位置会形成空穴，在库仑力作用下这些空穴易与受体材料中的电子结合形成光生激子（空穴和电子的复合体），当所使用的给体材料和受体材料，二者的电子能级差相差较大时，光生激子能有效分离成自由电子和空穴，然而电子会被异质结中的缺陷态束缚住，留下空穴形成沟道电流，这种模式下光照会产生很强的电流响应，并可以在漏极上检测到该电流响应，因此能用作光电传感。
值得说明的是，衬底1和基质层具有可拉伸性，当然，衬底1和介质层6均采用可拉伸材料制成，例如，衬底1采用透明的热塑性弹性绝缘体，比如溶于二氯苯的SEBS材料，利用其高弹性、透光性好、耐高温、高绝缘性等特点，使得衬底1适用于可拉伸的光电传感器。当然衬底1也可以采用硅材料。
如图3所示，可拉伸电极可以进行拉伸，适合安装在人体关节等处，运动过程中有着更好的贴敷性，抗干扰能力强，自适应性能好的优点，同时加工工艺简单，成本低。在对可拉伸电极进行拉伸时，源极2和漏极3是沿拉伸方向排列的，并不会影响源极2和漏极3之间的结构，也就不会影响光电传感器的性能。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1-图3所示，所述源极2包括：沿所述可拉伸电极的拉伸方向依次连接的第一封装焊接部21、第一引线部22以及第一接触部23，所述漏极3包括：沿所述可拉伸电极的拉伸方向依次连接的第二接触部33、第二引线部32以及第二封装焊接部31；所述第一引线部22和所述第二引线部32均采用蛇形结构，所述第一接触部23和所述第二接触部33相对设置并嵌入所述有源层内。
具体地，蛇形结构包括：依次连接的若干个扇圆环，相邻两个扇圆环的开口方向相反，扇圆环外径为0.5mm，内径为0.3mm，那么宽度为0.2mm，当然，可以根据需要调整大小。在拉伸时，蛇形结构可缓冲，类似弹簧，扇圆环可发生形变抵抗拉伸力，因此，不会影响蛇形结构的性能。在本发明的一个较佳实施例中，如图1-图3所示，所述第一接触部23和所述第二接触部33均采用弯曲结构，所述第一接触部23和所述第二接触部33之间具有第一间隙，所述第一间隙的宽度为0.1-0.3mm，优选地，第一间隙的宽度为0.2mm。
具体地，第一接触部23与第二接触部33并列设置，第一接触部23的弯曲结构和第二接触部33的弯曲结构相互配合，两者之间形成的第一间隙为曲线形，例如呈S形。第一接触部23、第二接触部33与有源层接触后形成导电沟道。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1-图3所示，所述栅极7包括：沿所述可拉伸电极的拉伸方向依次连接的门控部73、第三引线部72以及第三封装焊接部71；所述第三引线部72采用蛇形结构，所述门控部73与所述第一接触部23相对设置。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1-图3所示，所述门控部73采用弯曲结构，所述门控部73与所述第一接触部23之间具有第二间隙，所述第二间隙的宽度为1-3mm。
具体地，门控部73与第一接触部23相对，门控部73位于第一接触部23的正上方，两者之间即形成第二间隙，优选的间隙宽度为2mm。门控部73的弯曲结构与第一接触部23的弯曲结构相适配。
一方面，栅极7、源极2、漏极3都是沿着可拉伸电极的拉伸方向设置的，蛇形结构有利于消除拉伸对其影响，即使在拉伸状态下也可以实现光电传感。另一方面，门控部73、第一接触部23以及第二接触部33采用弯曲结构后更适合消除拉伸时对其产生的拉伸力的影响，有利于保护门控部73、第一接触部23以及第二接触部33，延长其寿命。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1-图2所示，所述有源层包括：设置在所述衬底1上的量子点层4和设置在所述量子点层4上的异质结层5；所述异质结层5包括：电子给体、电子受体以及添加剂。异质结层5采用有机体异质结半导体层，其材料为复合材料。电子给体、电子受体和添加剂等三种材料，通过溶液共混并涂甩加热固化获得复合材料。
具体地，量子点层4采用硫化锌、硫化铅等材料制成，例如，采用硫化锌量子点层，量子点作为一种纳米级别的半导体，在有源层里形成量子点层4，拥有限制电子和电子空穴运动的特性，能降低器件的暗电流，提高器件的灵敏度。本发明量子点PL峰范围在650nm至700nm之间。
在本发明的一个较佳实施例中，所述电子给体为有机聚合物半导体，比如，PDPP2T-TT-OD，DPP-DTT，或者聚-3已基噻吩及其系列聚合物，P3HT；所述电子受体为富勒烯衍生物，比如[6,6]-苯基C61丁酸甲酯，[6,6]-苯基C71丁酸甲酯，所述添加剂为热塑性弹性绝缘体。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1-图2所示，所述介质层6采用透明介质层6，所述介质层6为掺杂锂盐的离子凝胶膜；所述锂盐为双氟磺酰亚胺锂盐。
具体地，介质层6为掺锂的离子凝胶，主要成分为P（VDFHFP）交联剂、丙酮和离子液体，其中，P（VDFHFP）交联剂溶于丙酮后能制备出具有拉伸性的凝胶。其中，制得的离子凝胶是由低摩尔质量的阳离子和阴离子组成的，可以作为一种高电容的介电质。介质层6的电容是衡量光电晶体管性能好坏的重要参数。如图4所示，当有源层和介质层6接触界面形成双电层结构时，掺杂一定比例的双氟磺酰亚胺锂盐（锂SFI）能增大其电容值，原因在于双氟磺酰亚胺锂盐（简称锂盐）作为一种电解质材料具有稳定性高，电导率高的特点，此外，它还具有宽的电化学窗口，从而提高了制得的光电传感器的性能。本发明利用含锂盐的离子凝胶作为介质层6，实现了介质层6的可拉伸性。
如图图1和图5所示，本发明利用SEBS薄膜作为可拉伸的衬底1，弯曲形状的电极作为可拉伸电极，量子点半导体层和混合添加剂材料的有机异质结层形成双层结构作为有源层，离子凝胶作为介质层6，实现了可拉伸的近红外光电传感器；量子点半导体层能降低光电传感器的暗电流，减少器件的功耗；掺杂锂盐的离子凝胶作为介质层6，增大了介质层6的电容，提高了器件的光电响应度。
本发明还提供了一种如上述任意一实施例所述的可拉伸的光电传感器的制备方法的较佳实施例：
本发明实施例一种可拉伸的光电传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S100、采用甩胶的方法制备衬底1。
具体地，通过甩胶方式在基板（当然在可拉伸光电传感器制作完成时去除基板即可）上制备可拉伸衬底（比如，SEBS热塑性弹性绝缘体）；本发明可通过低成本的甩胶方式制备出可拉伸材料层作为衬底1，并且厚度可控制在微米量级。
步骤S200、通过热蒸镀的方法在衬底1上制备可拉伸电极。
具体地，本发明采用金属掩膜板通过真空蒸镀方式在所述可拉伸衬底上制备可拉伸电极。
步骤S300、在漏极3和源极2之间设置有源层。
具体地，本发明采用甩胶工艺，加热退火的方式使有源层成膜，厚度为纳米量级。本发明所述有源层为双层结构，自下而上，第一层为硫化锌量子点半导体层，第二层为有机体异质结半导体层。其中，硫化锌量子点层4旋涂速度为500r/m，时间为30s，然后氮气环境下加热固化；有机体异质结半导体层为电子给体材料、电子受体材料和可拉伸绝缘材料通过二氯苯溶液共混形成的。本发明通过低成本的甩胶方式将共混溶液在源漏极3有源接触部分之间进行涂甩，旋涂速度为前转500r/m，时间2s，后转2000r/m,时间60s，然后退火成膜，得到可拉伸有源层。
步骤S400、在可拉伸电极上制备介质层6。
具体地，步骤S400具体包括：
步骤S410、通过溶液法制备离子凝胶溶液。
具体地，本发明离子凝胶溶液的制备步骤是：首先将P（VDFHFP）交联剂溶于丙酮溶剂中，质量比例为1:7，磁力搅拌1小时，然后将锂盐倒入离子液体，常温磁力搅拌10min，最后将上述物质混合在一起，常温磁力搅拌10min；其中，质量比例为丙酮：P（VDFHFP）交联剂：离子液体+锂盐=7：1：4 ，其中，离子液体：锂盐=25:1。
步骤S420、通过甩胶方式在可拉伸电极上将离子凝胶溶液进行涂甩得到介质层6。
具体地，使涂甩覆盖的范围包括有源层和门控部73，旋涂速度前转500r/m,时间5s，后转1500r/m,时间60s，然后在氮气70摄氏度环境下加热24小时固化成膜，得到可拉伸的近红外光电传感器。本发明采用甩胶方式进行离子凝胶溶液的涂甩，通过范德华力，使得离子凝胶薄膜与有源层拉伸时能紧密接触。
综上所述，本发明所提供的一种可拉伸的光电传感器及其制备方法，所述可拉伸的光电传感器包括：衬底，设置在所述衬底上的可拉伸电极，设置在所述可拉伸电极上的介质层；所述可拉伸电极包括源极、漏极以及栅极；所述源极和所述漏极沿所述可拉伸电极的拉伸方向排列，所述源极和所述漏极之间设置有有源层，所述栅极位于所述有源层上。可拉伸电极可以进行拉伸，适合安装在人体关节等处，运动过程中有着更好的贴敷性，抗干扰能力强，自适应性能好的优点，同时加工工艺简单，成本低。在对可拉伸电极进行拉伸时，源极和漏极是沿拉伸方向排列的，并不会影响源极和漏极之间的结构，也就不会影响光电传感器的性能。
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)

1.一种可拉伸的光电传感器，其特征在于，包括：衬底，设置在所述衬底上的可拉伸电极，设置在所述可拉伸电极上的介质层；所述可拉伸电极包括源极、漏极以及栅极；所述源极和所述漏极沿所述可拉伸电极的拉伸方向排列，所述源极和所述漏极之间设置有有源层。
2.根据权利要求1所述的可拉伸的光电传感器，其特征在于，所述源极包括：沿所述可拉伸电极的拉伸方向依次连接的第一封装焊接部、第一引线部以及第一接触部，所述漏极包括：沿所述可拉伸电极的拉伸方向依次连接的第二接触部、第二引线部以及第二封装焊接部；所述第一引线部和所述第二引线部均采用蛇形结构，所述第一接触部和所述第二接触部相对设置并嵌入所述有源层内。
3.根据权利要求2所述的可拉伸的光电传感器，其特征在于，所述第一接触部和所述第二接触部均采用弯曲结构，所述第一接触部和所述第二接触部之间具有第一间隙，所述第一间隙的宽度为0.1-0.3mm。
4.根据权利要求2所述的可拉伸的光电传感器，其特征在于，所述栅极包括：沿所述可拉伸电极的拉伸方向依次连接的门控部、第三引线部以及第三封装焊接部；所述第三引线部采用蛇形结构，所述门控部与所述第一接触部相对设置。
5.根据权利要求4所述的可拉伸的光电传感器，其特征在于，所述门控部采用弯曲结构，所述门控部与所述第一接触部之间具有第二间隙，所述第二间隙的宽度为1-3mm。
6.根据权利要求1所述的可拉伸的光电传感器，其特征在于，所述有源层包括：设置在所述衬底上的量子点层和设置在所述量子点层上的异质结层；所述异质结层包括：电子给体、电子受体以及添加剂。
7.根据权利要求6所述的可拉伸的光电传感器，其特征在于，所述电子给体为有机聚合物半导体，所述电子受体为[6,6]-苯基C61丁酸甲酯，所述添加剂为热塑性弹性绝缘体。
8.根据权利要求6所述的可拉伸的光电传感器，其特征在于，所述量子点层中量子点的PL峰值为650-700nm。
9.根据权利要求1所述的可拉伸的光电传感器，其特征在于，所述介质层采用透明介质层，所述介质层为掺杂锂盐的离子凝胶膜；所述锂盐为双氟磺酰亚胺锂盐。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的可拉伸的光电传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用甩胶的方法制备衬底；
通过热蒸镀的方法在衬底上制备可拉伸电极；
在漏极和源极之间设置有源层；
在可拉伸电极上制备介质层。
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