CN110286150A - 一种柔性湿度电子传感器及其制备方法 - Google Patents

一种柔性湿度电子传感器及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110286150A
CN110286150A CN201910542160.1A CN201910542160A CN110286150A CN 110286150 A CN110286150 A CN 110286150A CN 201910542160 A CN201910542160 A CN 201910542160A CN 110286150 A CN110286150 A CN 110286150A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
layer
electronic sensor
graphene
flexible substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910542160.1A
Other languages
English (en)
Inventor
王志明
刘德胜
余鹏
童鑫
林峰
巫江
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201910542160.1A priority Critical patent/CN110286150A/zh
Publication of CN110286150A publication Critical patent/CN110286150A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

本发明公开一种柔性湿度电子传感器，包括柔性衬底，所述柔性衬底上设有石墨烯层，所述石墨烯层分别与第一电极和第二电极电接触；所述石墨烯层上设有固态电解质层，所述固态电解质层与第一电极、第二电极和第三电极电接触。在可弯折的柔性衬底上设置固态电解质层作为感应层，再设置石墨烯和电极构成场效应晶体管，去掉了硬质的电极基板，从而能够通过弯折来调节传感器形状，保证检测感应面积的情况下减少占用的空间和尺寸，从而提高了湿度电子传感器的适用范围，能够更方便地应用到可穿戴设备上。本发明还公开一种上述柔性湿度电子传感器的制备方法。

Description

一种柔性湿度电子传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感装置领域，具体涉及一种柔性湿度电子传感器及其制备方法。
背景技术
在物联网中，可穿戴电子设备是人类与环境交互系统中的核心组成部分，可通过小型化的传感系统来对各种环境因素的变化进行检测。作为自然界中不可少的环境条件要素，湿度的实时监控对人类健康起着至关重要的作用。
随着可穿戴设备的功能越来越强大，集成度越来越高，传统的湿度传感器为满足电子穿戴设备小型化的要求，体积也在尽可能地缩小。
问题在于，现有的电容和电阻式湿度传感器通常由感应材料层和电极基板组成，为了保证湿度检测的准确性，感应材料层需要保证一定的检测面积。而通常位于感应材料层下方的硬质电极基板面积与感应材料层适配，使得湿度传感器的尺寸无法进一步缩减，限制了湿度传感器在可穿戴设备上的应用。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种柔性湿度电子传感器，在可弯折的柔性衬底上设置固态电解质层作为感应层，再设置石墨烯和电极构成场效应晶体管，去掉了硬质的电极基板，从而能够通过弯折来调节传感器形状，保证检测感应面积的情况下减少占用的空间和尺寸，从而提高了湿度电子传感器的适用范围，能够更方便地应用到可穿戴设备上。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种柔性湿度电子传感器，包括柔性衬底，所述柔性衬底上设有石墨烯层，所述石墨烯层分别与第一电极和第二电极电接触；所述石墨烯层上设有固态电解质层，所述固态电解质层与第一电极、第二电极和第三电极电接触。
优选的，所述第一电极和第二电极与石墨烯层的边缘接触。
优选的，所述第一电极和第二电极分设在石墨烯层的对边边缘。
优选的，所述第一电极、第二电极和第三电极的构成材质为钛、铬、金中的一种或其中多种的组合。
优选的，所述第一电极、第二电极和第三电极为钛层和金层叠加的复合电极，其中钛层的厚度为4-6nm，金层的厚度为45-55nm。
优选的，所述固态电解质层为聚乙烯醇-磷酸材质的电解质膜。
本发明还提供一种柔性湿度电子传感器的制备方法，包括如下步骤：
在柔性衬底上设置石墨烯层；
在柔性衬底上设置电极；
蚀刻出石墨烯沟道；
在石墨烯沟道上设置固态电解质层。
优选的，所述在柔性衬底上设置石墨烯层步骤，具体为：
化学气相沉积法制备出石墨烯层，
采用湿法转移将石墨烯层移动到柔性衬底表面。
优选的，所述在柔性衬底上设置电极的步骤，具体为：
柔性衬底上设置光刻胶，
在光刻胶上制作出电极图样，
通过电子束蒸发在电极图样上蒸镀电极，
除去光刻胶。
优选的，所述通过电子束蒸发在电极图样上蒸镀电极的步骤，具体为：在柔性衬底上蒸镀4-6nm厚的钛层或铬层，再在钛层或铬层上蒸镀45-55nm厚的金层。
本申请与现有技术相比，其有益效果为：
在柔性衬底上设置石墨烯层、固态电解质和电极构成场效应晶体管，替代了原来的电极基板，从而使传感器可以实现一定程度内的弯折而依然正常使用。固态电解质层作为场效应晶体管电路中的一部分，随着固态电解质表面湿度变化，场效应晶体管中的输出的电流大小会发生改变，从而实现对湿度的监测。
采用钛或者铬作为黏附层，能够更加牢固地固定在柔性衬底上，避免电极在使用过程中脱落。金电极具有更好的化学稳定性，在潮湿的空气中难以发生氧化，确保了电导率的稳定。利用不同金属的特性，通过多次蒸镀形成复合电极，即满足了电极的黏附稳定性，又使电极在长期的使用中不易被氧化腐蚀。
与石墨烯层电接触的电极设置在石墨烯层的对边上，尽可能提升电路从石墨烯层中经过的路程，石墨烯沟道能够充分利用，得到更为准确的湿度检测结果。
制备出石墨烯层后再湿法转移到柔性衬底上，减少了制备过程中的二次处理对柔性衬底的损伤，避免柔性衬底无法稳定承载电子传感器。
附图说明
图1为本发明柔性湿度电子传感器的结构示意图；
图2为本发明柔性湿度电子传感器的结构示意俯视图；
图3为本发明柔性湿度电子传感器的结构示意正视图；
图4和图5为本发明中固态电解质层的工作原理示意图。
图6为本发明柔性湿度电子传感器输出电流与湿度之间的变化关系图。
附图标记：柔性衬底1、石墨烯层2、第一电极31、第二电极32、第三电极33、固态电解质层4、水分5。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1-3，本发明实施例提供一种柔性湿度电子传感器，包括柔性衬底1，柔性衬底1上设有石墨烯层2，第一电极31和第二电极32分设在石墨烯层2的对边边缘，石墨烯层2分别与第一电极31和第二电极32电接触；石墨烯层2上设有固态电解质层4，固态电解质层4与第一电极31、第二电极32和第三电极33电接触。固态电解质层4为聚乙烯醇-磷酸材质的电解质膜。
第一电极31、第二电极32和第三电极33的构成材质为钛、铬、金中的一种或其中多种的组合。作为优选项，在本实施例中，第一电极31、第二电极32和第三电极33为钛层和金层叠加的复合电极，其中钛层的厚度为4-6nm，金层的厚度为45-55nm。
本发明实施例还提供一种柔性湿度电子传感器的制备方法，包括如下步骤：
化学气相沉积法制备出石墨烯层2；
采用湿法转移将石墨烯层2移动到柔性衬底1表面；
柔性衬底1上设置光刻胶，
在光刻胶上制作出电极图样，
通过电子束蒸发在刻有电极图样的柔性衬底上蒸镀4-6nm厚的钛层或铬层，再在钛层或铬层上蒸镀45-55nm厚的金层形成复合电极，
除去光刻胶，将多余的复合金属层剥离；
再在柔性衬底1上设置光刻胶，
采用O2等离子刻蚀在石墨烯层2上制备出沟道；
在石墨烯沟道上设置固态电解质层4。
柔性衬底1的材质为PET塑料、PC塑料、PP塑料、PE塑料、ABS塑料等有机材质中的至少一种。
本实施例提供的柔性湿度电子传感器以石墨烯层2作为半导体，在上方设置聚乙烯醇-磷酸材质的固态电解质层4构成场效应晶体管结构，与石墨烯层2和固态电解质层4均电接触的第一电极31和第二电极32分别构成源极和漏极，仅与固态电解质层4电接触的第三电极33构成栅极，石墨烯层2位于第一电极31和第二电极32之间的部分即为石墨烯沟道。
请参考图4-6，化学沉积合成并湿法转移到柔性衬底1上的石墨烯是p型半导体，主要载流子为空穴(正电荷)。固态电解质层4直接暴露在空气中对湿度进行检测，当水分5接触到固态电解质层4表面时，由于水分子为极性分子，在正电荷的吸引下，水分子呈现负极极性的一端会朝向电解质表面。当湿度增加时，有更多的极性水分子附着在电解质表面，电荷的斥吸作用使固态电解质层4内部的阴阳离子重新分布。固态电解质层4中的阴离子靠近石墨烯层2排布，吸引了更多的空穴积累在沟道中。因为p型半导体主要载流子为空穴，随着空穴数量的增加，同样电压下的输出电流也会增大。得到湿度与电信号之间的变化关系后，即可根据接收到的电信号计算出当前待检测空气的湿度。
本实施例提供的电子传感器，通过石墨烯和固态电解质构建出场效应晶体管结构，再根据固态电解质层4内部离子响应极性水分子的重排变化，制备出湿度电子传感器，具有功耗低、灵敏度高、响应准确迅速等优点。采用柔性衬底代替硬质基底来承载功能部件，可以根据应用环境进行弯曲调节，从而具有更广的适应性。复合电极同时满足黏附的稳定性和在潮湿空气中的耐氧化腐蚀性能，能够长期稳定地应用于可穿戴设备上。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，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 (10)

1.一种柔性湿度电子传感器，包括柔性衬底，其特征在于，所述柔性衬底上设有石墨烯层，所述石墨烯层分别与第一电极和第二电极电接触；所述石墨烯层上设有固态电解质层，所述固态电解质层与第一电极、第二电极和第三电极电接触。
2.如权利要求1所述的柔性湿度电子传感器，其特征在于，所述第一电极和第二电极与石墨烯层的边缘接触。
3.如权利要求2所述的柔性湿度电子传感器，其特征在于，所述第一电极和第二电极分设在石墨烯层的对边边缘。
4.如权利要求1所述的柔性湿度电子传感器，其特征在于，所述第一电极、第二电极和第三电极的构成材质为钛、铬、金中的一种或其中多种的组合。
5.如权利要求4所述的柔性湿度电子传感器，其特征在于，所述第一电极、第二电极和第三电极为钛层和金层叠加的复合电极，其中钛层的厚度为4-6nm，金层的厚度为45-55nm。
6.如权利要求1所述的柔性湿度电子传感器，其特征在于，所述固态电解质层为聚乙烯醇-磷酸材质的电解质膜。
7.一种柔性湿度电子传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在柔性衬底上设置石墨烯层；
在柔性衬底上设置电极；
蚀刻出石墨烯沟道；
在石墨烯沟道上设置固态电解质层。
8.如权利要求7所述的柔性湿度电子传感器的制备方法，其特征在于，所述在柔性衬底上设置石墨烯层步骤，具体为：
化学气相沉积法制备出石墨烯层，
采用湿法转移将石墨烯层移动到柔性衬底表面。
9.如权利要求7所述的柔性湿度电子传感器的制备方法，其特征在于，所述在柔性衬底上设置电极的步骤，具体为：
柔性衬底上设置光刻胶，
在光刻胶上制作出电极图样，
通过电子束蒸发在电极图样上蒸镀电极，
除去光刻胶。
10.如权利要求9所述的柔性湿度电子传感器的制备方法，其特征在于，所述通过电子束蒸发在电极图样上蒸镀电极的步骤，具体为：在柔性衬底上蒸镀4-6nm厚的钛层或铬层，再在钛层或铬层上蒸镀45-55nm厚的金层。
CN201910542160.1A 2019-06-21 2019-06-21 一种柔性湿度电子传感器及其制备方法 Pending CN110286150A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910542160.1A CN110286150A (zh) 2019-06-21 2019-06-21 一种柔性湿度电子传感器及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910542160.1A CN110286150A (zh) 2019-06-21 2019-06-21 一种柔性湿度电子传感器及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110286150A true CN110286150A (zh) 2019-09-27

Family

ID=68004776

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910542160.1A Pending CN110286150A (zh) 2019-06-21 2019-06-21 一种柔性湿度电子传感器及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110286150A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111739803A (zh) * 2020-07-03 2020-10-02 清华大学 石墨烯场效应管及其制造方法
WO2021139206A1 (zh) * 2020-01-07 2021-07-15 南通大学 一种三电极结构的湿度传感器芯片
CN114224365A (zh) * 2021-12-20 2022-03-25 光子集成(温州)创新研究院 一种柔性谐振环传感器及其应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103943513A (zh) * 2014-05-07 2014-07-23 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种柔性衬底上制备石墨烯器件的方法
CN103985762A (zh) * 2014-03-28 2014-08-13 中国电子科技集团公司第十三研究所 超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管及其制备方法
CN105067682A (zh) * 2015-08-19 2015-11-18 东南大学 一种柔性电容式湿度传感器及其制备方法
CN105510389A (zh) * 2015-11-26 2016-04-20 电子科技大学 一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器及其制备方法
CN108414603A (zh) * 2018-01-29 2018-08-17 江南大学 一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103985762A (zh) * 2014-03-28 2014-08-13 中国电子科技集团公司第十三研究所 超低欧姆接触电阻石墨烯晶体管及其制备方法
CN103943513A (zh) * 2014-05-07 2014-07-23 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种柔性衬底上制备石墨烯器件的方法
CN105067682A (zh) * 2015-08-19 2015-11-18 东南大学 一种柔性电容式湿度传感器及其制备方法
CN105510389A (zh) * 2015-11-26 2016-04-20 电子科技大学 一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器及其制备方法
CN108414603A (zh) * 2018-01-29 2018-08-17 江南大学 一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ANUPAMA GHOSH: "NO2 and humidity sensing characteristics of few-layer graphenes", 《JOURNAL OF EXPERIMENTAL NANOSCIENCE》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021139206A1 (zh) * 2020-01-07 2021-07-15 南通大学 一种三电极结构的湿度传感器芯片
CN111739803A (zh) * 2020-07-03 2020-10-02 清华大学 石墨烯场效应管及其制造方法
CN111739803B (zh) * 2020-07-03 2021-11-12 清华大学 石墨烯场效应管及其制造方法
CN114224365A (zh) * 2021-12-20 2022-03-25 光子集成(温州)创新研究院 一种柔性谐振环传感器及其应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110286150A (zh) 一种柔性湿度电子传感器及其制备方法
Zhang et al. Water stability and orthogonal patterning of flexible micro-electrochemical transistors on plastic
Zhang et al. High‐performance dopamine sensors based on whole‐graphene solution‐gated transistors
Ganji et al. Scaling effects on the electrochemical performance of poly (3, 4‐ethylenedioxythiophene (PEDOT), Au, and Pt for electrocorticography recording
TWI422818B (zh) 氫離子感測場效電晶體及其製造方法
CN103199020B (zh) 基于pi的液栅型石墨烯场效应管的制备方法和检测方法
CN104914138A (zh) 湿度传感器、湿度传感器阵列及其制备方法
CN108414603B (zh) 一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器及其制备方法
Li et al. Stable thin-film reference electrode on plastic substrate for all-solid-state ion-sensitive field-effect transistor sensing system
CN112864324B (zh) 有机栅极电化学晶体管生物传感器的构筑
CN105136860A (zh) 基于氧化石墨烯/石墨烯/硅的湿度传感器及其制备方法
WO2017079620A1 (en) Sensor systems and related fabrication techniques
CN106093150A (zh) 一种自组装石墨烯场效应管型生化传感器制造方法
Naqi et al. Pulsed gate switching of MoS2 field‐effect transistor based on flexible polyimide substrate for ultrasonic detectors
CN108226236B (zh) 一种集成化湿度传感器及其制作工艺
US6833059B2 (en) Field-effect transistor
Lu et al. Non-ideal effects improvement of SF6 plasma treated hafnium oxide film based on electrolyte–insulator–semiconductor structure for pH-sensor application
Cheng et al. Flexible solution-gated graphene field effect transistor for electrophysiological recording
Singh et al. An extended-gate FET-based pH sensor with an InZn x O y membrane fabricated on a flexible polyimide substrate at room temperature
KR101767670B1 (ko) 재사용이 가능하고 민감도와 안정성이 우수한 생화학 센서 및 제조 방법
TW201022668A (en) Flexible pH sensors and pH sensing systems using the same
JP5903872B2 (ja) トランジスタ型センサ、およびトランジスタ型センサの製造方法
EP3305722B1 (en) Nanomembrane structure fabrication method
US8431001B2 (en) Ion sensor for measuring ion concentration of a solution
Olthuis et al. A new probe for measuring electrolytic conductance

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190927

RJ01 Rejection of invention patent application after publication