CN111505088A - 一种高稳定性的皮肤触觉传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高稳定性的皮肤触觉传感器及其制备方法，传感器的结构从下至上依次设置为衬底、栅电极、栅极绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极，有机半导体层加入了质量分数为1％‑3％黄酮类化合物、5％‑7％虫胶以及0.2％‑0.5％还原氧化石墨烯。本申请中的有机半导体层引入黄酮类化合物以及虫胶之后，利用黄酮类化合物和虫胶对油脂的抗氧化性和疏水性，器件的寿命得到了显著的提高，增强了其稳定性；由于虫胶和黄酮类化合物的引入，使得器件免于二次封装，有效的降低了晶体管器件的厚度，实现了传感器的微型化；有效的改善了传统晶体管器件迁移率低，阈值电压高的特点，提升其灵敏度的同时使得器件可以工作在低电压范围，减弱了器件对外接设备的需求。
Description
技术领域
本发明涉及皮肤触觉传感器技术领域，具体涉及一种高稳定性的皮肤触觉传感器及其制备方法。
背景技术
皮肤是非常重要的感知器官，具有保护、感觉、分泌、排泄、呼吸等功能，能够感应身体周围环境因素的变化，将传感器置于皮肤表面，能够直接用于感知人体健康、手势动作等多种信息，可拓展应用于医疗服务、休闲娱乐等领域。
大多现有的皮肤触觉传感器，都是通过将小型化的设备，紧贴于人体的皮肤表面，来感知人体的各种信息，这不免对器件的微型化、智能化提出了更高的要求。在日常的使用中，由于人体所固有的生理特性，皮肤表面始终保持一定的温度，并且将不可避免的分泌出一些汗液以及油脂，这必然对与皮肤直接接触的传感器的稳定性提出了更高的要求。急需一种新型的触觉传感器来实现器件的微型化、智能化，同时避免水氧、油脂对器件的侵蚀，提高器件的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种高稳定性的皮肤触觉传感器及其制备方法，通过加入了质量分数为1％-3％黄酮类化合物、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯，利用黄酮类化合物和虫胶对油脂的抗氧化性和疏水性，增加了晶体管器件的稳定性，使得紧贴于皮肤的皮肤触觉传感器免受皮肤分泌的油脂、汗液以及空气中的水氧成分对晶体管器件的侵蚀，并可以通过精确控制有机半导体、黄酮类化合物、虫胶以及还原氧化石墨烯的比例来改善有机半导体层薄膜的形貌，有效的提升了了有机薄膜的延展性，同时利用还原氧化石墨烯的电学特性制备了高性能的晶体管器件，实现有机场效应晶体管皮肤触觉传感器的精确探测，解决了现有皮肤触觉传感器探测技术中器件寿命差、灵敏度低、外接设备复杂带来的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种高稳定性的皮肤触觉传感器，所述传感器的结构从下至上依次设置为衬底、栅电极、栅极绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极，所述有机半导体层加入了质量分数为1％-3％黄酮类化合物、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯。
技术原理：晶体管器件通过与皮肤紧贴，身体微弱的动作会导致其薄膜发生剧烈的形变，从而改变器件的电学特性，起到探测的作用。通过在半导体层中加入了质量分数为1％-3％黄酮类化合物、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯，利用黄酮类化合物和虫胶对油脂的抗氧化性和疏水性，增加了晶体管器件的稳定性，使得紧贴于皮肤的皮肤触觉传感器免受皮肤分泌的油脂、汗液以及空气中的水氧成分对晶体管器件的侵蚀，并可以通过精确控制有机半导体、黄酮类化合物、虫胶以及还原氧化石墨烯的比例来改善有机半导体层薄膜的形貌，有效的提升了了有机薄膜的延展性，同时利用还原氧化石墨烯的电学特性制备了高性能的晶体管器件，实现有机场效应晶体管皮肤触觉传感器的精确探测。
进一步的，所述衬底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金属箔制成。
进一步的，所述栅极绝缘层为二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、二氧化钛中的任意一种或多种无机绝缘材料；或聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯中的任意一种或多种有机聚合物绝缘材料，所述栅极绝缘层厚度为20～520nm。
进一步的，所述有机半导体层为聚3-己基噻吩、Tips-并五苯中的任意一种或多种可溶性有机半导体材料，厚度为25～400nm。
进一步的，所述栅电极、源电极和漏电极均为金、银、铜中的任意一种；或氧化铟锡、氧化锌透明导电薄膜中的任意一种，厚度为10～100nm。
进一步的，所述黄酮类化合物包括黄岑素、黄芩苷、异水飞蓟素、水飞蓟素、银杏素以及异银杏素。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种高稳定性的皮肤触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥：
(2)在衬底的表面制备栅电极，形成栅电极的图形；
(3)在镀有栅电极的基板的上制备栅极绝缘层；
(4)将黄酮类化合物、虫胶、还原氧化石墨烯与有机半导体溶液进行混溶，在已形成栅电极，以及己覆盖栅极绝缘层的基板上制备明胶-有机半导体层，70℃热退火20分钟；
(5)在有机半导体层上制备源电极和漏电级；
(6)将步骤(5)制得后的有机场效应晶体管进行封装。
进一步的，步骤(2)和步骤(5)中的栅电极、源电极、漏电极通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的任意一种方法制备。
进一步的，步骤(3)中的栅极绝缘层通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂或者真空蒸镀中的任意一种方法制备。
进一步的，步骤(4)中所述明胶-有机半导体层通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、辊涂、滴膜、压印、印刷或气喷中的任意一种方法制备。
综上所述，本发明相较于现有技术的有益效果是：
(1)本申请中的有机半导体层引入一定量的黄酮类化合物以及虫胶之后，利用黄酮类化合物和虫胶对油脂的抗氧化性和疏水性，器件的寿命得到了显著的提高，增强了其稳定性；
(2)本申请与现有的封装之后的晶体管类型的皮肤传感器相比，由于虫胶和黄酮类化合物的引入，使得器件免于二次封装，有效的降低了晶体管器件的厚度，实现了传感器的微型化；
(3)本申请在有机半导体层引入一定量的还原氧化石墨烯之后，有效的改善了传统晶体管器件迁移率低，阈值电压高的特点，提升其灵敏度的同时使得器件可以工作在低电压范围，减弱了器件对外接设备的需求；
(4)本申请中的黄酮类化合物和虫胶，来源广泛、环境友好，且成本低廉，制备工艺简单，易于工业化大规模生产。
附图说明
图1是本发明中一种高稳定性的皮肤触觉传感器的结构示意图。
附图标记为：1-衬底，2-栅电极，3-栅极绝缘层，4-有机半导体层，5-源电极，6-漏电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图1及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，一种高稳定性的皮肤触觉传感器，传感器的结构从下至上依次设置为衬底1、栅电极2、栅极绝缘层3、有机半导体层4、源电极5和漏电极6，有机半导体层4加入了质量分数为1％-3％黄酮类化合物、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯。
制备方法如下：
(1)对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
(2)采用旋涂法在ITO上制备PS薄膜形成栅极绝缘层100nm；
(3)对旋涂好的PS薄膜经行加热烘烤；
(4)在栅极绝缘层上旋涂质量分数为91.5％：1％：7％：0.5％的P3HT、黄岑素、虫胶、还原氧化石墨烯混合有机半导体层100nm；
(5)采用真空蒸镀制备铜源电极和漏电极100nm。
对得到的器件的压力响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝6μA，载流子迁移率μ＝0.03×10-3 cm2/Vs，阈值电压VTH＝-1V，其探测效果好，使用寿命长。
实施例2：
如图1所示，一种高稳定性的皮肤触觉传感器，传感器的结构从下至上依次设置为衬底1、栅电极2、栅极绝缘层3、有机半导体层4、源电极5和漏电极6，有机半导体层4加入了质量分数为1％-3％黄酮类化合物、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯。
制备方法如下：
(1)对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
(2)采用旋涂法在ITO上制备PMMA薄膜形成栅极绝缘层520nm；
(3)对旋涂好的PMMA薄膜经行加热烘烤；
(4)在栅极绝缘层上旋涂质量分数为91.5％：3％：5％：0.5％的P3HT、黄岑素、虫胶、还原氧化石墨烯混合有机半导体层150nm；
(5)采用真空蒸镀制备银源电极和漏电极10mm。
对制得的器件的压力响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝8μA，载流子迁移率μ＝0.02×10-3 cm2/Vs，阈值电压VTH＝-2V，其探测效果好，使用寿命较长。
实施例3：
如图1所示，一种高稳定性的皮肤触觉传感器，传感器的结构从下至上依次设置为衬底1、栅电极2、栅极绝缘层3、有机半导体层4、源电极5和漏电极6，有机半导体层4加入了质量分数为1％-3％黄酮类化合物、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯。
制备方法如下：
(1)对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
(2)采用旋涂法在ITO上制备PVA薄膜形成栅极绝缘层20nm；
(3)对旋涂好的PVA薄膜经行加热烘烤；
(4)在栅极绝缘层上旋涂质量分数为91.8％：3％：5％：0.2％的Tips-并五苯、异银杏素、虫胶、还原氧化石墨烯混合有机半导体层200nm；
(5)采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极40nm。
对制得的器件的压力响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝8μA，载流子迁移率μ＝0.04×10-3 cm2/Vs，阈值电压VTH＝-3V，其探测效果好，使用寿命最长。
实施例4：
如图1所示，一种高稳定性的皮肤触觉传感器，传感器的结构从下至上依次设置为衬底1、栅电极2、栅极绝缘层3、有机半导体层4、源电极5和漏电极6，有机半导体层4加入了质量分数为1％-3％黄酮类化合物、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯。
制备方法如下：
(1)对硅为栅电极的衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
(2)采用热氧化或者气相沉积的方法生成一层20nmSiO，作为栅极绝缘层；
(3)在栅极绝缘层上旋涂上质量分数为92.8％：1％：6％：0.2％的TIPS-并五苯、银杏素、虫胶、还原氧化石墨烯混合有机半导体层25nm；
(4)采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极60nm。
对制得的器件的压力响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝15μA，载流子迁移率μ＝0.05×10-3 cm2/Vs，阈值电压VTH＝-6V，探测效果差，使用寿命长。
实施例5：
如图1所示，一种高稳定性的皮肤触觉传感器，传感器的结构从下至上依次设置为衬底1、栅电极2、栅极绝缘层3、有机半导体层4、源电极5和漏电极6，有机半导体层4加入了质量分数为1％-3％黄酮类化合物、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯。
制备方法如下：
(1)对硅为栅电极的衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
(2)采用旋涂法在ITO上制备300nm聚乙烯吡咯烷酮薄膜形成栅极绝缘层；
(3)对旋涂好的聚乙烯吡咯烷酮薄膜经行加热烘烤；
(4)在栅极绝缘层上旋涂制备质量分数比为92.8％：1％：6％：0.2％的P3HT、黄岑素、虫胶、还原氧化石墨烯混合有机半导体层300nm；
(5)采用真空蒸镀制备银源电极和漏电极70nm。
对制得的器件的压力响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝17μA，载流子迁移率μ＝0.06×10-3 cm2/Vs阈值电压VTH＝-2V，探测效果最好，使用寿命长。
实施例6：
如图1所示，一种高稳定性的皮肤触觉传感器，传感器的结构从下至上依次设置为衬底1、栅电极2、栅极绝缘层3、有机半导体层4、源电极5和漏电极6，有机半导体层4加入了质量分数为1％-3％黄酮类化合物、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯。
制备方法如下：
(1)对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
(2)采用反应磁控溅射在ITO上制备50nm三氧化二铝薄膜形成栅极绝缘层；
(3)栅极绝缘层上旋涂制备质量分数比为91.8％：1％：7％：0.2％的P3HT、异水飞蓟素、虫胶、还原氧化石墨烯混合有机半导体层350nm；
(4)采用真空蒸镀制备铜源电极和漏电极80nm。
对器件的压力响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝25μA，载流子迁移率μ＝0.04×10-3 cm2/Vs，阈值电压VTH＝-5V，探测效果好，使用寿命长。
检测结果：
表1为加入不同比例的黄酮类化合物、虫胶、还原氧化石墨烯的器件性能参数表。
表1
根据表1中的检测结果可知，通过加入质量分数为1％-3％黄酮类化合物、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯，利用黄酮类化合物和虫胶对油脂的抗氧化性和疏水性，增加了晶体管器件的稳定性，使得紧贴于皮肤的皮肤触觉传感器免受皮肤分泌的油脂、汗液以及空气中的水氧成分对晶体管器件的侵蚀，并可以通过精确控制有机半导体、黄酮类化合物、虫胶以及还原氧化石墨烯的比例来改善有机半导体层薄膜的形貌，有效的提升了了有机薄膜的延展性，同时利用还原氧化石墨烯的电学特性制备了高性能的晶体管器件，实现有机场效应晶体管皮肤触觉传感器的精确探测，解决了现有皮肤触觉传感器探测技术中器件寿命差、灵敏度低、外接设备复杂带来的问题。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种高稳定性的皮肤触觉传感器，所述传感器的结构从下至上依次设置为衬底、栅电极、栅极绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极，其特征在于，所述有机半导体层加入了质量分数为1％-3％黄酮类化合物、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯。
2.根据权利要求1所述的一种高稳定性的皮肤触觉传感器，其特征在于，所述衬底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金属箔制成。
3.根据权利要求1所述的一种高稳定性的皮肤触觉传感器，其特征在于，所述栅极绝缘层为二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、二氧化钛中的任意一种或多种无机绝缘材料；或聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯中的任意一种或多种有机聚合物绝缘材料，所述栅极绝缘层厚度为20～520nm。
4.根据权利要求1所述的一种高稳定性的皮肤触觉传感器，其特征在于，所述有机半导体层为聚3-己基噻吩、Tips-并五苯中的任意一种或多种可溶性有机半导体材料，厚度为25～400nm。
5.根据权利要求1所述的一种高稳定性的皮肤触觉传感器，其特征在于，所述栅电极、源电极和漏电极均为金、银、铜中的任意一种；或氧化铟锡、氧化锌透明导电薄膜中的任意一种，厚度为10～100nm。
6.根据权利要求1所述的一种高稳定性的皮肤触觉传感器，其特征在于，所述黄酮类化合物包括黄岑素、黄芩苷、异水飞蓟素、水飞蓟素、银杏素以及异银杏素。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的高稳定性的皮肤触觉传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；
(2)在衬底的表面制备栅电极，形成栅电极的图形；
(3)在镀有栅电极的基板的上制备栅极绝缘层；
(4)将黄酮类化合物、虫胶、还原氧化石墨烯与有机半导体溶液进行混溶，在已形成栅电极，以及己覆盖栅极绝缘层的基板上制备明胶-有机半导体层，70℃热退火20分钟；
(5)在有机半导体层上制备源电极和漏电级；
(6)将步骤(5)制得后的有机场效应晶体管进行封装。
8.根据权利要求7所述的一种高稳定性的皮肤触觉传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(5)中的栅电极、源电极、漏电极通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的任意一种方法制备。
9.根据权利要求7所述的一种高稳定性的皮肤触觉传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的栅极绝缘层通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂或者真空蒸镀中的任意一种方法制备。
10.根据权利要求7所述的一种高稳定性的皮肤触觉传感器的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述明胶-有机半导体层通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、辊涂、滴膜、压印、印刷或气喷中的任意一种方法制备。
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