CN110849252B

CN110849252B - 一种制备大面积可贴合半导体型接近传感器的方法

Info

Publication number: CN110849252B
Application number: CN201911111999.6A
Authority: CN
Inventors: 汤庆鑫; 童艳红; 刘益春; 赵晓丽; 吕广爽
Original assignee: Northeast Normal University
Current assignee: Northeast Normal University
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2039-11-14
Also published as: CN110849252A

Abstract

本发明公开了一种大面积可贴合半导体型接近传感器的制备方法及其对带微小电荷物体的探测。该大面积可贴合半导体型接近传感器，包括支撑层、绝缘层、半导体层(传感层)和电极，其中，所述传感层为有机半导体薄膜。本发明使用半导体层为传感层，实现了带微小电荷物体的接近探测，包括距离识别，空间位置检测，形状识别等。此外，该接近传感器还能够随形贴合到曲面物体上，并且不影响传感性能。该接近传感器具有较高的灵敏度和稳定性，且功耗较低。

Description

一种制备大面积可贴合半导体型接近传感器的方法

技术领域

本发明属于传感器领域，涉及一种大面积可贴合有机半导体型接近传感器及其在带微小电荷物体探测方面的应用。

背景技术

电子皮肤具有像皮肤一样的感应功能，比如压力感应、振动感应、湿度感应、温度感应等，这些感应功能使得电子皮肤在人机界面、智能机器人、仿生假肢和其他智能系统中具有巨大的应用潜力。此外，电子皮肤还具有人体皮肤所不具备的生物传感、气体检测和接近感应等功能。其中，接近感应是一种非接触式探测功能，具有与电子眼相似的功能，这种感应可以用于帮助机器人或盲人感知现实世界。一方面，它可以识别障碍物的距离和形状，并及时将结果反馈给机器人或盲人，以避免不必要的碰撞。另一方面，它还可以感知外部物体的接近程度。例如，当有人向盲人做出伸手动作或者移交东西时，接近感知功能可以使盲人提前识别这些行为并及时做出反应。因此，为了实现这些应用潜力，有必要构筑用于可穿戴电子领域的接近传感器。

常见的接近传感器按工作原理可分为光学、红外、超声、电磁感应、微波、电容和半导体型等。其中，电容型和有机半导体型接近传感器因其制作简单、功耗低、成本低、可用于近距离检测等优势，使得其有望应用于可穿戴电子领域。到目前为止，传统的电容式接近传感器已经实现了大面积、柔性传感器阵列，其感应原理是基于外界导体对于电场的干扰。然而，目前报道的大多数电容式接近传感器阵列是以PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基板作为支撑层，不利于随形贴合在曲面物体上，这极大地限制了传感器的穿戴舒适性。更重要的是，接触面积的减小导致信号检测失真，探测到的距离以及形状便会不准确。此外，由于其传感原理的限制，电容式接近传感器仅可用于检测人的手指和金属导体。有机半导体型接近传感器的出现填补了电容式接近传感器在检测物体种类上的不足，其传感原理是基于外界刺激所带的电荷对传感层(有机半导体)中载流子传输的影响，导致了传感器中的电流变化。然而目前所报道的半导体型接近传感器是以有机单晶作为传感层，而有机单晶体积小，厚度难以控制，难以量产等问题，限制了大面积集成器件的制备。使得目前的有机半导体型接近传感器不能用于目标物体的形状检测。并且现有的有机半导体型接近传感器也是以PET或刚性材料作为衬底，同样存在不能随形贴合在曲面物体上，致使信号检测失真的问题。因此，为了进一步实现毛发、纸张、塑料尺等其他非导体目标物体形状和距离的精确检测，这一领域迫切需要开发一种具有弹性基底的新型的轻薄、超柔、大面积、可贴合的半导体型接近传感器阵列

发明内容

本发明的目的是提供一种大面积可贴合有机半导体型接近传感器及其制备方法。其利用有机半导体薄膜作为传感层，使外界刺激影响薄膜中载流子的传输来实现对带微小电荷物体接近刺激的探测。本发明得到的接近传感器功耗低，可以很好的贴附在曲面物体上，准确识别外界刺激的距离及形状。

本发明提供的大面积可贴合半导体型接近传感器，包括支撑层、绝缘层、传感层和电极，其特征在于：所述传感层为有机半导体薄膜。

上述大面积可贴合半导体型接近传感器中，构成所述有机半导体薄膜的材料为DNTT(也即二萘并[2,3-b:2',3'-f]噻吩并[3,2-b]噻吩)薄膜。

所述大面积可贴合半导体型接近传感器具体可由下至上依次为支撑层、绝缘层、传感层和电极；

具体的，

构成所述支撑层的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；

构成所述绝缘层的材料为聚苯乙烯(PS)；

构成所述电极的材料为金。

所述支撑层的厚度为300-500μm；具体为400μm；

所述绝缘层的厚度为700-900nm；具体为800nm；

所述传感层的厚度为40-60nm；具体为50nm；

所述电极的厚度均为30-50nm；具体为30nm。

所述电极的图案具体可为6×6叉指电极阵列，电极沟道长7000nm，沟道宽200 nm。

本发明提供的制备所述大面积可贴合半导体型接近传感器的方法，包括：

1)对衬底进行修饰；

2)在经步骤1)修饰后的衬底表面制备绝缘层；

3)在步骤2)得到的所述绝缘层表面制备支撑层，得到绝缘层/支撑层薄膜；

4)将步骤3)所得绝缘层/支撑层薄膜整体从所述衬底上剥离翻转，得到支撑层/绝缘层薄膜；

5)在步骤4)所得支撑层/绝缘层薄膜上制备传感层；

6)在步骤5)所得传感层上制备电极，得到所述大面积可贴合半导体型接近传感器。

上述方法的步骤1)中，所述衬底为硅；

所述方法的步骤1)中还包括对所述衬底清洗的步骤；所述衬底依次采用丙酮、乙醇、水超声清洗，再用氮气吹干；

所述修饰中，所用修饰剂为十八烷基三氯硅烷；

所述修饰的步骤包括：对所述衬底进行氧等离子体处理，再置于含有修饰剂的溶液中浸泡，之后再用三氯甲烷超声清洗并吹干；

所述氧等离子体处理步骤中，功率为90-100W；具体为100W；时间为0.5-1min；具体为1min；气体流速为6-9sccm；具体为8sccm；

所述含有修饰剂的溶液由所述修饰剂与有机溶剂组成；所述修饰剂与所述有机溶剂的体积比为1：800-1200；具体为1:1000；所述有机溶剂具体为正庚烷；

所述浸泡步骤中，浸泡的时间为30-40s；

所述步骤2)制备绝缘层和步骤3)制备支撑层的方法均为旋涂法；

所述旋涂法中所用溶剂均选自甲苯和PDMS所用固化剂中至少一种；

旋涂绝缘层溶液的浓度为4-6g/100ml；具体为5g/100ml；旋涂支撑层溶液的浓度为PDMS与固化剂按照体积比10：1-1.5的比例配制；具体为10：1；

旋涂转速为1000-5000r/s；具体为2000-4000r/s；时间为30-60s；具体为40s；

旋涂后固化的温度为60-80℃；具体为70℃；时间为0.5-1.5h；具体为1h。

所述步骤5)中，制备传感层的方法为气相沉积；

具体的，所述气相沉积中，真空度为10^-6-10^-7torr；具体为10^-6torr；

蒸镀速率为0.04-0.06nm/s；具体为0.05nm/s；

所述步骤6)中，制备电极的方法为真空掩膜蒸镀方法；

所述真空掩膜蒸镀方法的具体条件如下：真空度为10^-6-10^-7torr；具体为10^- ⁶torr；

蒸镀速率为0.01-0.05nm/s；具体为0.01nm/s。

上述方法中，所述水具体可为二次去离子水。

另外，上述本发明提供的大面积可贴合半导体型接近传感器在探测带微小电荷物体中的应用及含有所述大面积可贴合半导体型接近传感器的用于探测带微小电荷物体的装置也属于本发明的保护范围。

本发明提供的探测带微小电荷物体的方法，包括：将待探测的带微小电荷物体接近所述大面积可贴合半导体型接近传感器的传感层。

具体的，所述探测为接近探测。

本发明所述的“带微小电荷物体”是指生活中无意识带电的物体。

本发明测试了带微小电荷的手指、塑料尺以及不同字母对有机薄膜型接近传感器的接近刺激，并获得了电流响应曲线。

在测试时，物体接近有机薄膜时两者之间的距离为1-2cm，远离时两者之间距离为20cm以上。

本发明具有如下优点：

本发明使用柔性超薄DNTT薄膜作为传感层，弹性材料PDMS作为传感器的支撑层来制备器件。这可以保证新型器件具有优异的可贴合性，可以很好的包覆在弯曲物体上，没有气泡和皱纹。与传统的电容式接近传感器不同，半导体型接近传感器可识别手指和非金属导体等物体，填补了带微小电荷物体检测的空白。该接近传感器阵列能够精确地检测手指的空间位置和形状以及塑料字母的形状。具有超高的响应度和稳定性，且功耗较低。更重要的是，即使粘附在人造假手上，该传感器阵列仍然具有出色的传感性能。在很多如便携式、可穿戴智能化的微电子产品领域中拥有广阔的发展前景和应用潜力。

附图说明

图1为本发明制备的以DNTT薄膜为传感层的有机半导体型接近传感器的制备方案。

图2为本发明实施例2制备的以DNTT薄膜为传感层的有机半导体型接近传感器对人类手指的接近响应照片图(图2(a))和动态响应电流图(图2(b))。

图3为本发明实施例3制备的以DNTT薄膜为传感层的有机半导体型接近传感器对塑料尺的接近响应照片图(图3(a))和塑料尺不同距离接近下的动态响应电流图。

图4为本发明实施例4制备的以DNTT薄膜为传感层的有机半导体型接近传感器贴合在玻璃半球对手指(图4(a))和塑料尺(图4(b))的接近响应电流图。

图5为本发明实施例5制备的以DNTT薄膜为传感层的有机半导体型接近传感器阵列贴合到假手上对人类手指在左侧(图5(a))和中间(图5(b))空间位置识别的照片图和电流分布映射图。

图6为本发明实施例6制备的以DNTT薄膜为传感层的有机半导体型接近传感器阵列贴合到假手上对塑料字母T(图6(a))和I(图6(b))形状识别的示意图和电流分布映射图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1、以DNTT薄膜为传感层的可贴合有机半导体型接近传感器的制备

如图1所示：

1、十八烷基三氯硅烷(OTS)修饰衬底硅表面，具体步骤如下：(1)将切割后的硅片依次置于丙酮、乙醇、二次去离子水里超声清洗，再用氮气吹干；(2)对硅片进行羟基化：将经步骤(1)处理后的硅片进行氧等离子体处理，功率可为100W，时间可为1min，气体流速可为8sccm；(3)对硅片进行OTS修饰：将衬底置于正庚烷与十八烷基三氯硅烷(简称OTS)体积比为1000:1的混合溶液(具体为80mL正庚烷和 80μL OTS)中浸泡30-40s，最后用三氯甲烷超声清洗，用氮气吹干，便可得到经OTS 修饰的衬底。

2、以甲苯为溶剂配制质量体积浓度为5％(5g/100ml)PS溶液，并把已经配好的 PS溶液均匀的滴加到清洗干净的硅片上，用匀胶机进行旋涂(旋涂速度为4000r/min，旋涂时间为40s)，然后在70℃烘箱中放置烘干1h，使PS中的溶剂迅速挥发，最终可获得PS绝缘层；

3、在绝缘层上旋涂支撑层(聚二甲基硅氧烷PDMS)并固化：

以10:1(PDMS:固化剂，体积比)的比例配置PDMS溶液，搅拌后静置2h；在绝缘层表面旋涂一层PDMS溶液(匀胶机的转速设置在2000r/s，旋涂时间为40s)。然后放入烘箱中70℃加热固化1h。

4、利用热释放胶带将步骤(3)所得到的支撑层薄膜连带绝缘层整体从衬底上剥离下来，翻转蒸镀DNTT薄膜，真空度为10^-6torr，蒸镀速率可为0.05nm/s，半导体层厚度50nm。

5、利用真空掩膜蒸镀方法在步骤(4)所得的半导体上制备电极阵列。

真空掩膜蒸镀的具体条件如下：真空度为10^-6torr、蒸镀速率为0.01nm/s，蒸镀的具体材料为金。

电极厚度为30nm，图案为6×6叉指电极阵列，电极沟道长7000nm，沟道宽200 nm。

该实施例制备所得大面积可贴合半导体型接近传感器，由下至上依次包括支撑层、绝缘层、传感层和电极。

构成所述有机半导体薄膜的材料为DNTT(也即二萘并[2,3-b:2',3'-f]噻吩并[3,2-b] 噻吩)薄膜。

构成所述支撑层的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；

构成所述绝缘层的材料为聚苯乙烯(PS)；

构成所述电极的材料为金。

所述支撑层的厚度为400μm；

所述绝缘层的厚度为800nm；

所述传感层的厚度为50nm；

所述电极的厚度均为30nm，图案为6×6叉指电极阵列，电极沟道长7000nm，沟道宽200nm。

实施例2、接近传感器实时测试带微小电荷物体的接近刺激

将实施例1器件放置干净平整的样品台上进行测试。人类手指接近DNTT薄膜接近传感器有着大约1-2cm的高度，实时测试手指的接近与撤退对器件电流信号的影响。图2中(a)和图2中(b)分别表示测试时照片图和电流响应信号曲线图。这一结果表明，本发明制备的接近传感器使用有机薄膜作为传感层可以有效地探测手指的接近情况。

实施例3、接近传感器实时测试带微小电荷物体的不同距离接近刺激

将实施例1器件放置干净平整的样品台上进行测试。塑料尺接近DNTT薄膜接近传感器的高度依次为2cm，5cm，8cm。实时测试塑料尺的不同距离接近对器件电流信号的影响。图3中(a)和图3中(b)分别表示测试时照片图和电流响应信号曲线图。这一结果表明，本发明制备的接近传感器使用有机薄膜作为传感层可以有效地区分塑料尺的接近距离。

实施例4、接近传感器贴合在曲面上测试带微小电荷物体的接近刺激

1、将实施例1器件放在加热台上100℃加热30s，然后将器件从热释放胶带上剥离转移到直径为2cm的玻璃半球上，放到样品测试台测试。

2、人类手指接近贴合到玻璃球上的DNTT薄膜接近传感器有着大约2cm的高度，实时测试手指的接近与撤退对器件电流信号的影响。图4中(a)表示测试时电流响应信号曲线图。

3、塑料尺接近贴合到玻璃球上的DNTT薄膜接近传感器有着大约2cm的高度，实时测试塑料尺的接近与撤退对器件电流信号的影响。图4中(b)表示测试时电流响应信号曲线图。上述结果表明，本发明制备的接近传感器在贴合到曲面物体上的情况下，仍能实时检测接近刺激。

实施例5、接近传感器测试带微小电荷物体的空间位置

1、将实施例1器件放在加热台上100℃加热30s，然后将器件从热释放胶带上剥离转移到人造假手上，放到样品测试台测试。

2、人类手指接近贴合人造假手上的DNTT薄膜接近传感器有着大约1cm的高度，实时测试手指接近器件的左侧，对器件电流信号的影响。图5中(a)表示手指在器件的左侧的电流分布映射图。

3、人类手指接近贴合人造假手上的DNTT薄膜接近传感器有着大约1cm的高度，实时测试手指接近器件的中间，对器件电流信号的影响。图5中(b)表示手指在器件的中间的电流分布映射图。

实施例6、接近传感器测试带微小电荷物体的形状

2、塑料字母T接近贴合人造假手上的DNTT薄膜接近传感器有着大约1cm的高度，实时测试字母T的接近对器件电流信号的影响。图6中(a)表示字母T接近器件的电流分布映射图。

3、塑料字母I接近贴合人造假手上的DNTT薄膜接近传感器有着大约1cm的高度，实时测试字母I的接近对器件电流信号的影响。图6中(a)表示字母I接近器件的电流分布映射图。

Claims

1.一种制备大面积可贴合半导体型接近传感器的方法，包括：

1）对衬底进行修饰；

所述步骤1）中，所述衬底为硅；

所述方法的步骤1）中还包括对所述衬底清洗的步骤；所述衬底依次采用丙酮、乙醇、水超声清洗，再用氮气吹干；

所述修饰中，所用修饰剂为十八烷基三氯硅烷；

所述氧等离子体处理步骤中，功率为90-100W；时间为0.5-1 min；气体流速为6-9sccm；

所述含有修饰剂的溶液由所述修饰剂与有机溶剂组成；所述修饰剂与所述有机溶剂的体积比为1：800-1200；

所述浸泡步骤中，浸泡的时间为30-40 s；

2）在经步骤1）修饰后的衬底表面制备绝缘层；

3）在步骤2）得到的所述绝缘层表面制备支撑层，得到绝缘层/支撑层薄膜；

所述步骤2）制备绝缘层和步骤3）制备支撑层的方法均为旋涂法；

旋涂绝缘层溶液的浓度为4-6 g/100 ml；旋涂支撑层溶液的浓度为PDMS与固化剂按照体积比10：1-1.5的比例配制；

旋涂转速为1000-5000 r/s；时间为30-60 s；

旋涂后固化的温度为60-80℃；时间为0.5-1.5 h；

4）将步骤3）所得绝缘层/支撑层薄膜整体从所述衬底上剥离翻转，得到支撑层/绝缘层薄膜；

5）在步骤4）所得支撑层/绝缘层薄膜上制备传感层；

6）在步骤5）所得传感层上制备电极，得到所述大面积可贴合半导体型接近传感器；

所述大面积可贴合半导体型接近传感器，包括支撑层、绝缘层、传感层和电极，所述传感层为有机半导体薄膜；构成所述有机半导体薄膜的材料为DNTT薄膜；

所述大面积可贴合半导体型接近传感器由下至上依次为支撑层、绝缘层、传感层和电极；

所述支撑层的厚度为300-500 μm；

所述绝缘层的厚度为700-900 nm；

所述传感层的厚度为40-60 nm；

所述电极的厚度均为30-50 nm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：构成所述支撑层的材料为聚二甲基硅氧烷；

构成所述绝缘层的材料为聚苯乙烯；

构成所述电极的材料为金。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1）中，所述氧等离子体处理步骤中，气体流速为8 sccm；

所述修饰剂与所述有机溶剂的体积比为1:1000；所述有机溶剂为正庚烷；

所述旋涂绝缘层溶液的浓度为5 g/100 ml；

旋涂转速为2000-4000 r/s；时间为40 s；

旋涂后固化的温度为70℃；时间为1h。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：所述步骤5）中，制备传感层的方法为气相沉积。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤5）中，所述气相沉积中，真空度为10^-6-10^-7 torr；

蒸镀速率为0.04-0.06 nm/s；

所述步骤6）中，制备电极的方法为真空掩膜蒸镀方法。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤5）中，所述气相沉积中，真空度为10^-6-10^-7 torr；

蒸镀速率为0.05 nm/s；

所述步骤6）中，所述真空掩膜蒸镀方法的条件如下：真空度为10^-6-10^-7 torr；

蒸镀速率为0.01-0.05 nm/s。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤6）中，所述蒸镀速率为0.01nm/s。