CN110137204B - 有机薄膜晶体管型传感像素电路及微阵列芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种有机薄膜晶体管型传感像素电路及微阵列芯片。所述有机薄膜晶体管型传感像素电路包括像素单元，所述像素单元包括：衬底；同层设置的第一底栅电极和第二底栅电极；覆盖所述第一底栅电极和第二底栅电极的底栅绝缘层；同层设置的第一源极、公共电极、第二源极，且所述公共电极位于所述第一源极与所述第二源极之间；第一有机半导体层；第二有机半导体层；覆盖所述第一有机半导体层和第二有机半导体层的顶栅绝缘层，且所述顶栅绝缘层的电容值大于所述底栅绝缘层；同层设置于的第一顶栅电极和第二顶栅电极。本发明不仅便于调控有机薄膜晶体管的阈值电压，而且有利于提升传感微阵列中传感器的灵敏度。

Description

有机薄膜晶体管型传感像素电路及微阵列芯片
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种有机薄膜晶体管型传感像素电路及微阵列芯片。
背景技术
集成反应与检测功能，并发展小型化、低成本、操作方便且准确度高的电化学传感芯片，用以快速且高通量检测生物分子和化学成分，对加快分子生物学技术研究的发展以及推动智能化体外诊断的应用具有重要意义。在电化学传感芯片技术中，晶体管型传感芯片不仅具有阵列化制造优势以实现高通量检测，而且能实现传感位点的单独寻址控制以便于后续的信号处理，其结构更紧凑，与外围控制及读取电路兼容性强。针对此，国内外很多研究机构和企业通过CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)集成电路工艺设计与实现了各种微阵列芯片，将反应与检测功能进行了集成。然而，基于CMOS构建传感芯片的技术在标准工艺的限制下，存在着工作电压高、封装与集成难度大、电极表面不利于固定生物探针分子或离子敏感膜、检测灵敏度有限等问题，从而导致采用硅基CMOS工艺实现传感芯片不仅具有成本高、可定制性差等工艺方面的不足，而且具有工作电压难以降低和灵敏度难以优化提升等性能方面的缺点。
因此，如何发展新型的、更易加工的高性能微阵列传感芯片，以应用于智能化检测仪器的开发，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种有机薄膜晶体管型传感像素电路及微阵列芯片，用于解决现有的有机薄膜晶体管检测灵敏度较低的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种有机薄膜晶体管型传感像素电路，包括像素单元，所述像素单元包括：
衬底；
同层设置于所述衬底表面的第一底栅电极和第二底栅电极；
覆盖所述第一底栅电极和第二底栅电极的底栅绝缘层；
同层设置于所述底栅绝缘层表面的第一源极、公共电极、第二源极，且所述公共电极位于所述第一源极与所述第二源极之间；
覆盖所述第一源极、部分所述公共电极以及所述第一源极与所述公共电极之间的底栅绝缘层的第一有机半导体层；
覆盖所述第二源极、部分所述公共电极以及所述第二源极与所述公共电极之间的底栅绝缘层的第二有机半导体层；
覆盖所述第一有机半导体层和第二有机半导体层的顶栅绝缘层，且所述顶栅绝缘层的电容值大于所述底栅绝缘层的电容值；
同层设置于所述顶栅绝缘层表面的第一顶栅电极和第二顶栅电极，以形成电连接的开关晶体管和传感晶体管，所述开关晶体管包括所述第一底栅电极、所述第一源极、所述公共电极、所述第一有机半导体层和所述第一顶栅电极，所述传感晶体管包括所述第二底栅电极、所述第二源极、所述公共电极、所述第二有机半导体层和所述第二顶栅电极。
优选的，还包括：
位于所述像素单元外部的接触电极，所述接触电极与所述第一顶栅电极和所述第二顶栅电极同层设置；
覆盖所述顶栅绝缘层的封装层，所述封装层中具有暴露所述第二顶栅电极的第一通孔以及暴露所述接触电极的第二通孔；
位于所述第二通孔内、且与所述接触电极电连接的参比电极。
优选的，所述参比电极包括Ag/AgCl电极和含有饱和氯盐的多孔聚合物膜。
优选的，所述氯盐为氯化钠或者氯化钾，所述多孔聚合物膜的材料为聚乙烯醇缩丁醛或者聚氯乙烯。
优选的，所述第一顶栅电极、所述第二顶栅电极和所述接触电极的材料均为金。
优选的，所述底栅绝缘层的电容值小于15nF/cm2，所述顶栅绝缘层的电容值大于100nF/cm2。
优选的，所述第一有机半导体层和所述第二有机半导体层的带隙态密度均小于1011eV-1·cm-2。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种微阵列芯片，包括：
呈阵列排布的多个上述任一项所述的像素单元；
行选电路，连接所述第一顶栅电极，用于向所述开关晶体管传输扫描控制信号；
传感信号读出电路，连接所述第一底栅电极和第二底栅电极，用于分别向所述开关晶体管和所述传感晶体管提供阈值电压调控信号；所述传感信号读出电路还连接所述第一源极，用于读取所述像素单元的输出信号；所述传感信号读出电路的公共电源端连接所述第二源极。
本发明提供的有机薄膜晶体管型传感像素电路及微阵列芯片，通过采用具有低带隙态密度的第一有机半导体层和第二有机半导体层，可以降低所述有机薄膜晶体管型传感像素电路的工作电压；而且，通过将顶栅绝缘层的电容值设置为大于底栅绝缘层的电容值，形成具有非对称电容的两个绝缘层，不仅便于调控有机薄膜晶体管的阈值电压，从而改善传感微阵列中开关晶体管和行选电路的工作速度、阈值特性和功耗性能，而且有利于提升传感微阵列中传感器的灵敏度，从而达到低电压、高灵敏传感芯片制造的目的。
附图说明
附图1是本发明具体实施方式中有机薄膜晶体管型传感像素电路的结构示意图；
附图2是本发明具体实施方式中微阵列芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的有机薄膜晶体管型传感像素电路及微阵列芯片的具体实施方式做详细说明。
本具体实施方式提供了一种有机薄膜晶体管型传感像素电路，附图1是本发明具体实施方式中有机薄膜晶体管型传感像素电路的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式提供的有机薄膜晶体管型传感像素电路包括像素单元10，所述像素单元10包括：
衬底100；
同层设置于所述衬底100表面的第一底栅电极101和第二底栅电极102；
覆盖所述第一底栅电极101和第二底栅电极102的底栅绝缘层103；
同层设置于所述底栅绝缘层103表面的第一源极104、公共电极105、第二源极106，且所述公共电极105位于所述第一源极104与所述第二源极106之间；
覆盖所述第一源极104、部分所述公共电极105以及所述第一源极104与所述公共电极105之间的底栅绝缘层103的第一有机半导体层107；
覆盖所述第二源极106、部分所述公共电极105以及所述第二源极106与所述公共电极105之间的底栅绝缘层103的第二有机半导体层108；
覆盖所述第一有机半导体层107和第二有机半导体层108的顶栅绝缘层109，且所述顶栅绝缘层109的电容值大于所述底栅绝缘层103的电容值；
同层设置于所述顶栅绝缘层109表面的第一顶栅电极110和第二顶栅电极111，以形成电连接的开关晶体管11和传感晶体管12，所述开关晶体管11包括所述第一底栅电极101、所述第一源极104、所述公共电极105、所述第一有机半导体层107和所述第一顶栅电极110，所述传感晶体管12包括所述第二底栅电极102、所述第二源极106、所述公共电极105、所述第二有机半导体层108和所述第二顶栅电极111。
图1中的两个虚线框分别表示所述像素单元10中的开关晶体管11与传感晶体管12的结构示意图。具体来说，所述开关晶体管11与所述传感晶体管12均为双栅型晶体管，且所述开关晶体管11与所述传感晶体管12均采用所述公共电极105作为漏极，即所述开关晶体管11与所述传感晶体管12通过共用漏极以实现电气连接。所述开关晶体管11为所述有机薄膜晶体管型传感像素电路的开关器件，以控制所述像素单元10是否导通；所述传感晶体管12为所述有机薄膜晶体管型传感像素电路的传感器件，用于检测外界传感信号。所述第一底栅电极101和所述第二底栅电极102用于分别调整所述开关晶体管11和所述传感晶体管12的阈值电压，使得所述开关晶体管11与所述传感晶体管12的性能达到最佳。
本具体实施方式由于在所述开关晶体管11中设置所述第一有机半导体层107、在所述传感晶体管12中设置所述第二有机半导体层108，利用所述有机半导体层具有低带隙态密度的优势，降低了整个所述有机薄膜晶体管型传感像素电路的工作电压，例如将所述有机薄膜晶体管型传感像素电路10的工作电压降低到5V以下。另外，通过将所述顶栅绝缘层109的电容值设置为大于底栅绝缘层103的电容值，形成具有非对称电容的两个绝缘层，不仅便于调控有机薄膜晶体管的阈值电压，而且有利于提升传感微阵列中传感器的灵敏度，从而达到低电压、高灵敏传感芯片制造的目的。相较于现有技术中的CMOS标准工艺，本具体实施方式提供的有机薄膜晶体管型传感像素电路不仅驱动电压低、检测灵敏度高，而且加工成本低、材料与工艺多样、可定制性强、结构紧凑。
优选的，所述有机薄膜晶体管型传感像素电路还包括：
位于所述像素单元10外部的接触电极112，所述接触电极112与所述第一顶栅电极110和所述第二顶栅电极111同层设置；
覆盖所述顶栅绝缘层109的封装层113，所述封装层113中具有暴露所述第二顶栅电极111的第一通孔114以及暴露所述接触电极112的第二通孔115；
位于所述第二通孔115内、且与所述接触电极112电连接的参比电极116。
具体来说，所述第二顶栅电极111的表面可用于修饰生物探针或者离子选择膜，从而产生对目标检测物的特异性，从而使得所述第二顶栅电极111作为所述有机薄膜晶体管型传感像素电路的敏感电极。在检测过程中，作为敏感电极的所述第二顶栅电极111与所述参比电极116浸没在同一待测溶液中，以进一步提高对待测溶液中目标检测物的高灵敏度检测。所述封装层13的材料可以是但不限于聚乙烯。
优选的，所述参比电极116包括Ag/AgCl电极和含有饱和氯盐的多孔聚合物膜。更优选的，所述氯盐为氯化钠或者氯化钾，所述多孔聚合物膜的材料为聚乙烯醇缩丁醛(polyvinyl butyral，PVB)或者聚氯乙烯(poly(vinyl chloride)，PVC)。
优选的，所述第一顶栅电极110、所述第二顶栅电极111和所述接触电极112的材料均为金。本领域技术人员还可以根据实际需要选择其他具有低化学反应活性的惰性电极材料作为所述第一顶栅电极110、所述第二顶栅电极111和所述接触电极112。
优选的，所述底栅绝缘层103的电容值小于15nF/cm2，所述顶栅绝缘层109的电容值大于100nF/cm2。
其中，所述底栅绝缘层103的材料优选为具有低介电常数的可交联聚合物介电材料。所述顶栅绝缘层109的材料优选为具有高介电常数的可交联聚合物介电材料；或者所述顶栅绝缘层109为复合绝缘层，所述复合绝缘层为由低介电常数聚合物层和高介电常数聚合物层构成的叠层。
优选的，所述第一有机半导体层107和所述第二有机半导体层108的带隙态密度均小于1011eV-1·cm-2。
具体来说，所述第一有机半导体层107和所述第二有机半导体层108的材料可以相同，也可以不同。为了简化制造工艺，进一步降低成本，优选所述第一有机半导体层107和所述第二有机半导体层108的材料相同。所述第一有机半导体层107与所述第二有机半导体层108可以均为由有机小分子与高分子聚合物形成的共混物。其中，所述有机小分子可以采用6，13-双(三异丙基硅烷基乙炔基)并五苯(6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)-pentacene，TIPS-pentacene)、三乙基甲硅烷基乙炔基取代双噻吩蒽(bis(triethyl-silyle-thynyl)anthradithiophene，TES-ADT)或者2,7-二苯基[1]苯并噻吩[3,2-b][1]苯并噻吩(2,7-dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene，C8BTBT)；所述高分子聚合物可以采用聚苯乙烯(polystyrene，PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methylmethacrylate)，PMMA)或者聚(三芳胺)(poly(triarylamine)，PTAA)。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种微阵列芯片，附图2是本发明具体实施方式中微阵列芯片的结构示意图，所述微阵列芯片中的有机薄膜晶体管型传感像素电路的结构可参见图1。如图1、图2所示，本具体实施方式提供的微阵列芯片包括：
呈阵列排布的多个上述任一项所述的像素单元10；
行选电路210，连接所述第一顶栅电极110，用于向所述开关晶体管11传输扫描控制信号VSL；
传感信号读出电路220，连接所述第一底栅电极101和第二底栅电极102，用于分别向所述开关晶体管11和所述传感晶体管12提供阈值电压调控信号；所述传感信号读出电路220还连接所述第一源极104，用于读取每一所述像素单元10的输出信号IOUT；所述传感信号读出电路220的公共电源端VDD连接所述第二源极106。
具体来说，多个所述像素单元10呈阵列排布，构成微阵列200，且多个所述像素单元10可以共用一个所述参比电极116。在检测过程中，通过对每一所述像素单元10中的所述第二顶栅电极111的表面修饰生物探针或者离子选择膜，从而产生对目标检测物的特异性，使得每一所述第二顶栅电极111作为敏感电极；所述微阵列200中所有通过所述第一通孔114暴露出的所述第二顶栅电极111在待测溶液中与所述参比电极116形成电气连接。所述行选电路210可以采用与所述有机薄膜晶体管型传感像素电路中类似的双栅结构晶体管，也可以根据需要选择其他的结构，只要能向所述第一顶栅电极110传输行选信号(即所述扫描控制信号)即可。
所述行选电路210通过扫描控制信号线201与所述开关晶体管11的第一顶栅电极110连接，用于向所述像素单元10传输扫描控制信号VSL。所述传感信号读出电路220通过数据信号线202与所述开关晶体管11的第一源极104连接，用于读取所述像素单元10的输出信号IOUT。所述传感信号读出电路220的公共电源端VDD通过电源线203连接所述第二源极106连接，用于向所述传感晶体管12提供电源电压。所述传感信号读出电路220的第一传感控制信号端VBG_SW通过第一调控信号线205与所述开关晶体管11的第一底栅电极101连接，用于向所述开关晶体管11提供第一阈值电压调控信号。所述传感信号读出电路220的第二传感控制信号端VBG_SEN通过第二调控信号线204与所述传感晶体管12的第二底栅电极102连接，用于向所述传感晶体管12提供第二阈值电压调控信号。所述传感信号读出电路220的参考电压端VRFE，与所述参考电极116连接，用于向所述参考电极116提供偏置电压。
本具体实施方式中的所述传感信号读出电路220与所述行选电路210协同工作，通过对所述像素单元10进行单独寻址控制，能够依次打开每个所述像素单元10并读取传感信号(即输出信号IOUT)，从而达到高通量快速检测的目的。
本具体实施方式提供的有机薄膜晶体管型传感像素电路及微阵列芯片，通过采用具有低带隙态密度的第一有机半导体层和第二有机半导体层，可以降低所述有机薄膜晶体管型传感像素电路的工作电压；而且，通过将顶栅绝缘层的电容值设置为大于底栅绝缘层的电容值，形成具有非对称电容的两个绝缘层，不仅便于调控有机薄膜晶体管的阈值电压，从而改善传感微阵列中开关晶体管和行选电路的工作速度、阈值特性和功耗性能，而且有利于提升传感微阵列中传感器的灵敏度，从而达到低电压、高灵敏传感芯片制造的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种有机薄膜晶体管型传感像素电路，其特征在于，包括像素单元，所述像素单元包括：
衬底；
同层设置于所述衬底表面的第一底栅电极和第二底栅电极；
覆盖所述第一底栅电极和第二底栅电极的底栅绝缘层；
同层设置于所述底栅绝缘层表面的第一源极、公共电极、第二源极，且所述公共电极位于所述第一源极与所述第二源极之间；
覆盖所述第一源极、部分所述公共电极以及所述第一源极与所述公共电极之间的底栅绝缘层的第一有机半导体层；
覆盖所述第二源极、部分所述公共电极以及所述第二源极与所述公共电极之间的底栅绝缘层的第二有机半导体层；
覆盖所述第一有机半导体层和第二有机半导体层的顶栅绝缘层，且所述顶栅绝缘层的电容值大于所述底栅绝缘层的电容值；
同层设置于所述顶栅绝缘层表面的第一顶栅电极和第二顶栅电极，以形成电连接的开关晶体管和传感晶体管，所述开关晶体管包括所述第一底栅电极、所述第一源极、所述公共电极、所述第一有机半导体层和所述第一顶栅电极，所述传感晶体管包括所述第二底栅电极、所述第二源极、所述公共电极、所述第二有机半导体层和所述第二顶栅电极。
2.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管型传感像素电路，其特征在于，还包括：
位于所述像素单元外部的接触电极，所述接触电极与所述第一顶栅电极和所述第二顶栅电极同层设置；
覆盖所述顶栅绝缘层的封装层，所述封装层中具有暴露所述第二顶栅电极的第一通孔以及暴露所述接触电极的第二通孔；
位于所述第二通孔内、且与所述接触电极电连接的参比电极。
3.根据权利要求2所述的有机薄膜晶体管型传感像素电路，其特征在于，所述参比电极包括Ag/AgCl电极和含有饱和氯盐的多孔聚合物膜。
4.根据权利要求3所述的有机薄膜晶体管型传感像素电路，其特征在于，所述氯盐为氯化钠或者氯化钾，所述多孔聚合物膜的材料为聚乙烯醇缩丁醛或者聚氯乙烯。
5.根据权利要求2所述的有机薄膜晶体管型传感像素电路，其特征在于，所述第一顶栅电极、所述第二顶栅电极和所述接触电极的材料均为金。
6.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管型传感像素电路，其特征在于，所述底栅绝缘层的电容值小于15nF/cm2，所述顶栅绝缘层的电容值大于100nF/cm2。
7.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管型传感像素电路，其特征在于，所述第一有机半导体层和所述第二有机半导体层的带隙态密度均小于1011eV-1·cm-2。
8.一种微阵列芯片，其特征在于，包括：
呈阵列排布的多个如权利要求1-7中任一项所述的像素单元；
行选电路，连接所述第一顶栅电极，用于向所述开关晶体管传输扫描控制信号；
传感信号读出电路，连接所述第一底栅电极和第二底栅电极，用于分别向所述开关晶体管和所述传感晶体管提供阈值电压调控信号；所述传感信号读出电路还连接所述第一源极，用于读取所述像素单元的输出信号；所述传感信号读出电路的公共电源端连接所述第二源极。
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