CN111554670B - 基于并五苯有机场效应晶体管与pvdf纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器及其制备方法，所述方法为：先制备并五苯有机场效应晶体管作为压力传感器，在制备一面带有纳米柱的PVDF柔性材料，在PVDF柔性材料两面镀Au薄膜得到PVDF柔性压电材料作为压电信号发生单元，再使用导电材料使压电信号发生单元与压力传感器之间形成闭合回路。通过测试并五苯有机场效应晶体管的电学特性得到器件的转移特性曲线、输出特性曲线、器件工作的线性区域和饱和区域来知晓了器件的迁移率和开关比；通过测试不同质量的砝码作用下柔性智能压电传感器的电学特性得到最低检测极限和灵敏度，以及在人手腕处不同弯曲角度的电学特性的线性关系。

Description

基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智 能压电传感器

技术领域

本发明涉及柔性压电传感器技术领域，尤其涉及基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器。

背景技术

目前商业化的机器人系统的触觉传感，因为设计和制备技术的困难，一直落后于其他传感技术，无法实现真正的智能化应用。机器人智能电子皮肤是利用智能材料、微机电和传感器等技术开发的能够模仿人体皮肤保护、感知等功能的柔性电子系统，是实现机器人触觉功能的重要途径。

柔性压电材料PVDF是一种有机铁电材料，具有材质柔韧、低密度、低阻抗和高压电电压常数等优点。但是由于材料本身压电应变常数低，在微小形变作用力下产生的电荷量有限，需要高精密的仪器去测量制约了其在压力传感领域的应用。在材料本身的结构和改性方面是研究的一大热点。另一方面随着半导体工艺和微纳加工技术的不断发展，由于压电纳米材料的力-电转换信号微弱，容易湮没在噪声中，场效应晶体管在电子器件中的电压放大效果已经得到了广泛的应用。有机场效应晶体管因其制备工艺柔性可加工和克服硅基工艺的刚性，使其在柔性显示技术，人工智能和生物医疗可穿戴领域扮演者重要的角色。选择合适的柔性基底和介电层以及高迁移率的小分子或聚合物材料是目前柔性晶体管制备领域研究的热点。

所以需要对柔性压电纳米柱阵列的可控制备及其力-电耦合性能研究和OFET增强压电型压力传感器的电荷转移及传感放大机制进行研究，以构筑出柔性高灵敏度的压电传感单元为智能传感应用示范提供理论基础与技术支持。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器。通过纳米尺度柔性压电传感原理和材料的设计，借助OFET器件对压电信号的耦合增强力-电转换信号，获得高灵敏度的压电型压力传感单元。

本发明是通过如下技术方案实现的:

本发明的第一方面，提供基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将PET薄膜依次用超纯水、丙酮和异丙醇超声清洗，再用氧等离子清洗并在氮气环境下干燥，制得衬底；在衬底上沉积厚度为100nm的Al薄膜，制得栅极；在栅极上旋涂PMMA溶液得到厚度为100nm～400nm的PMMA薄膜，真空干燥制得介电层；在介电层上沉积厚度为40nm的并五苯，制得有源层；以透射电镜铜网为掩模版在有源层上依次沉积厚度为5nm的Cr和厚度为45nm的Au，制得源漏电极；在源漏电极上旋涂PMMA溶液作为保护层，制得OFET；

(2)将PVDF薄膜用超纯水和酒精超声处理并干燥；将铝基单通AAO模板作为纳米倒模模板，用超纯水超声处理并干燥；将干燥好的PVDF薄膜与AAO模板的正面对齐，并使用称量纸和玻璃作为隔热层保护AAO模板和PVDF薄膜，形成玻璃/称量纸/AAO模板/PVDF薄膜/称量纸/玻璃的热压结构并对其进行热压得热压件；将热压件上的称量纸和玻璃移去，然后放置在超纯水中使AAO模板脱除，得到一面带有纳米柱的PVDF柔性材料，在PVDF柔性材料的两面分别蒸镀厚度为20nm的Au薄膜，制得PVDF柔性压电材料；

(3)以PVDF柔性压电材料作为压电信号发生单元，以OFET作为压力传感器，用导电材料将压电信号发生单元两面的Au薄膜分别与压力传感器的栅极和源漏电极连接，形成闭合回路，制得基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器。

采用上述方法制备OFET时，PMMA的介电常数与二氧化硅相当，100nm-400nm厚度的PMMA薄膜可以有效的绝缘栅极电压从而诱导沟道载流子的变化，达到减少漏电流的效果；载流子的传输主要集中于有源层并五苯和介电层PMMA之间的几个分子层，40nm左右的有源层并五苯薄膜既可以高度结晶成薄膜，又可以使得源漏电极载流子更好的注入传输；由于在并五苯上沉积Au时，并五苯与Au的结合性不好，为了解决这一问题，先在有源层上沉积一层与并五苯结合性较好的Cr，作为中间结合材料，Cr的厚度为5nm即可，再在Cr上沉积Au作为源漏电极，使源漏电极可以很好的与有源层结合。

在制备PVDF柔性压电材料时，通过纳米压印技术得到的PVDF纳米柱直径分布在200nm～400nm之间，在同一作用力下借助微纳结构的改变可以得到更高的电压输出效果，从而使得压电晶体管的灵敏度更高。

优选的，步骤(1)中，所述Al薄膜的沉积速率为

s^-1。

优选的，步骤(1)中，所述PMMA溶液的浓度为7mg/ml；旋涂速率为4000rpm。

优选的，步骤(1)中，所述并五苯的沉积速率为

s^-1。

优选的，步骤(1)中，所述透射电镜铜网的长度为200μm、宽度为40μm、沟道宽度为20μm。

优选的，步骤(2)中，所述PVDF薄膜的厚度为28μm。

优选的，步骤(2)中，所述PVDF柔性材料上纳米柱的直径为200～400nm，纳米柱之间的间距为200nm。

本发明的第二方面，提供基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器。

优选的，所述柔性智能压电传感器的最低检测极限为175Pa，灵敏度为5.17Kpa^-1。

本发明的第三方面，提供基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器在制备智能电子皮肤中的应用。

本发明的有益效果为：

(1)本发明借助纳米压印技术创新式的从纳米尺度研究柔性压电材料PVDF的力-电转换特性。

(2)本发明器件的研究不但可以为下一步OFET放大的压电型应力传感器和触觉传感芯片奠定基础，更重要的是可以对有机小分子材料的排列模式和聚合物的堆积的性能进行深入表征，指导晶圆级半导体层的合成。

(3)本发明研究压电放电对OFET半导体输运性能的影响，通过对OFET栅极电压的调控，实现对纳米棒阵列力-电耦合效应的放大机制和放大规律的掌握，并进一步对压力测试极限、灵敏度等进行深入研究。

附图说明

图1为基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器的结构示意图；

图2为基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器的结构示意图；

图中所示，

1、衬底，2、栅极，3、介电层，4、有源层，5、源漏电极，6、带有纳米柱的PVDF柔性材料，7、Au薄膜，8、导线。

图3为PVDF纳米柱SEM照片以及不同直径的高斯分布统计图；

图4为并五苯晶体管转移特性曲线；

图5为并五苯晶体管不同栅压调控下的转移特性曲线；

图6为并五苯晶体管输出特性线性区域；

图7为并五苯晶体管输出特性饱和区域；

图8为本发明的柔性智能压电传感器在不同质量砝码作用下的输出曲线；

图9为不同质量砝码作用下本发明的柔性智能压电传感器输出曲线实验值的线性模拟；

图10为本发明的柔性智能压电传感器测试人手腕弯曲角度为10°时的照片实物图；

图11为本发明的柔性智能压电传感器测试人手腕弯曲角度为30°时的照片实物图；

图12为本发明的柔性智能压电传感器测试人手腕弯曲角度为60°时的照片实物图；

图13为本发明的柔性智能压电传感器的照片实物图；

图14为测试手腕弯曲角度为10°、30°、60°时的器件输出曲线；

图15为测试手腕任意弯曲角度时器件的输出曲线。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术所述，由于材料本身压电应变常数低，在微小形变作用力下产生的电荷量有限，需要高精密的仪器去测量制约了其在压力传感领域的应用；现有的压电纳米材料的力-电转换信号微弱，容易湮没在噪声中。基于此，本发明提供基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器，使有机场效应晶体管与压电信号发生单元耦合，通过对柔性压电纳米柱阵列的可控制备及其力-电耦合性能研究和OFET增强压电型压力传感器的电荷转移及传感放大机制研究，使其在柔性显示技术，人工智能和生物医疗可穿戴领域扮演者重要的角色。

在制备OFET时，以PMMA薄膜介电层可以有效的屏蔽界面的库伦杂质散射和减小漏电流，有源层以有机小分子材料并五苯形成活性层传输电荷。在制备PVDF柔性压电材料时，用称量纸和玻璃作为隔热层保护AAO模板和PVDF薄膜，形成玻璃/称量纸/AAO模板/PVDF薄膜/称量纸/玻璃结构的热压件；将热压件上的称量纸和玻璃移去，然后将AAO模板/PVDF薄膜放置在超纯水中，由于PVDF薄膜的疏水性会在水的作用力下将AAO模板与PVDF薄膜分开，使AAO模板脱除，得到一面带有纳米柱的PVDF薄膜，纳米柱的直径为200～400nm，纳米柱之间的间距为200nm(见图3)。本发明将有机场效应晶体管与PVDF柔性压电材料制备成全柔性智能压电传感器，由并五苯场效应晶体管通过栅极电压V_GS来调控沟道电流I_DS的变化，将PVDF压电材料的两面分别通过铜导线与并五苯场效应晶体管的栅电极和源电极相连形成闭合回路，这样通过受力形变的PVDF薄膜产生的电压便可作为栅压调控压电晶体管的电学特性，OFET的栅压的改变相比于源漏电压的改变可以更加明显的诱导沟道内载流子的分布使得晶体管的调节作用更显著，PVDF纳米柱受力产生的电压作用于栅压足以驱动并五苯OFET器件改变沟道内载流子的分布实现节能效果，进一步OFET器件实现信号放大功能放大PVDF产生的信号。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或者按照试剂公司所推荐的条件；下述实施例中所用的试剂、耗材等，如无特殊说明，均可通过商业途径获得。

实施例1

(1)将实验级PET薄膜基底依次用超纯水、丙酮溶液和异丙醇超声清洗10min，再使用氧等离子体清洗仪清洗PET基底10分钟并在氮气环境下干燥；将干净的PET基底放入金属真空镀膜仪中以

s^-1的速率沉积100nm左右厚的Al作为底栅电极；接下来配置7mg/ml的PMMA溶液使用旋涂仪以4000rpm的速率在铝电极上形成400nm左右的PMMA薄膜作为器件的介电层，并在真空干燥箱中60℃处理2h；然后使用有机真空镀膜仪以

s^-1的速率沉积40nm厚的有机小分子材料并五苯形成活性层传输电荷；接下来使用透射电镜铜网(长度为200um、宽度为40um、沟道宽度为20um)作为掩模版在并五苯薄膜上再次使用金属真空镀膜仪沉积5nm厚的Cr和45nm厚的Au作为源漏电极；最后再次使用PMMA溶液在器件在旋涂一层薄膜作为保护层防止器件氧化，得到并五苯有机场效应晶体管。

(2)将28um厚的PVDF压电薄膜依次裁剪成3cm×3cm，使用超纯水和酒精超声处理15分钟，并用60℃烘箱干燥处理30min；将孔间距为200nm的铝基单通AAO模板(2cm×2cm)作为纳米倒模模板，先使用超纯水超声处理10min并干燥处理；将干燥好的PVDF薄膜的正面与单通AAO模板的正面对齐，并使用称量纸和玻璃作为隔热层保护AAO模板和PVDF薄膜，形成玻璃/称量纸/AAO模板/PVDF薄膜/称量纸/玻璃的热压结构；将热压机加热到185℃静置1min确保温度稳定，把待热压的器件结构放置在热压机下热压30s；最后将热压结合的AAO模板与PVDF薄膜放置在超纯水中12h，这样经过纳米压印的PVDF薄膜可作为压电信号发生单元；

(3)首先将纳米压印好的PVDF薄膜两面使用金属真空镀膜仪蒸镀20nm左右厚的Au薄膜；用铜导线将PVDF薄膜上下两面的Au薄膜分别与压力传感器的栅极和源漏电极连接，形成闭合回路，制得基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器，如图1所示。

实施例2

(1)将实验级PET薄膜基底依次用超纯水、丙酮溶液和异丙醇超声清洗10min，再使用氧等离子体清洗仪清洗PET基底10分钟并在氮气环境下干燥；将干净的PET基底放入金属真空镀膜仪中以

s^-1的速率沉积100nm左右厚的Al作为底栅电极；接下来配置7mg/ml的PMMA溶液使用旋涂仪以4000rpm的速率在铝电极上形成400nm左右的PMMA薄膜作为器件的介电层，并在真空干燥箱中60℃处理2h；然后使用有机真空镀膜仪以

s^-1的速率沉积40nm厚的有机小分子材料并五苯形成活性层传输电荷；接下来使用透射电镜铜网(长度为200um、宽度为40um、沟道宽度为20um)作为掩模版在并五苯薄膜上再次使用金属真空镀膜仪沉积5nm厚的Cr和45nm厚的Au作为源漏电极；最后再次使用PMMA溶液在器件在旋涂一层薄膜作为保护层防止器件氧化，得到并五苯有机场效应晶体管。

(2)将28um厚的PVDF压电薄膜依次裁剪成3cm×3cm，使用超纯水和酒精超声处理15分钟，并用60℃烘箱干燥处理30min；将孔间距为200nm的铝基单通AAO模板(2cm×2cm)作为纳米倒模模板，先使用超纯水超声处理10min并干燥处理；将干燥好的PVDF薄膜的正面与单通AAO模板的正面对齐，并使用称量纸和玻璃作为隔热层保护AAO模板和PVDF薄膜，形成玻璃/称量纸/AAO模板/PVDF薄膜/称量纸/玻璃的热压结构；将热压机加热到185℃静置1min确保温度稳定，把待热压的器件结构放置在热压机下热压30s；最后将热压结合的AAO模板与PVDF薄膜放置在超纯水中12h，这样经过纳米压印的PVDF薄膜可作为压电信号发生单元；

(3)首先将纳米压印好的PVDF薄膜两面使用金属真空镀膜仪蒸镀20nm左右厚的Au薄膜；将压电信号发生单元放置于并五苯有机场效应晶体管的栅极上，使压电信号发生单元下面的Au薄膜与栅极接触，用导线将压电信号发生单元上面的Au薄膜与压力传感器的源漏电极连接，形成闭合回路，制得基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器，如图2所示。

应用例

首先通过探针台EPS150TRIAX和半导体测试分析仪4200SCS搭建的平台测试实施例2制备的并五苯有机场效应晶体管的电学特性，使用三探针分别连接器件的源漏电极和栅电极，在栅压V_GS范围为-60V—20V，V_DS＝-60V的条件下得到器件的转移特性曲线、输出特性曲线、器件工作的线性区域和饱和区域，见图4～图7，来知晓了器件的迁移率为0.16cm²V^-1s^-1，开关比为3×10⁴；

接下来测试实施例2制备的柔性智能压电传感器的电学特性，此时设置V_GS＝0V，由PVDF压电薄膜提供电压的条件下得到柔性智能压电传感器在不同质量的砝码(1g、10g、20g、50g、100g)的作用力下(见图8、图9)测得器件的最低检测极限为175Pa和灵敏度为5.17Kpa^-1，压电晶体管传感器在人手腕处不同弯曲角度(10°、30°、60°)的电学特性具有明显的线性关系(见图10～图15)。

根据上述曲线，在制备智能电子皮肤时，向PVDF柔性压电材料施加压力产生电流的变化，电流进入并五苯有机场效应晶体管的栅极，通过栅极电压V_GS来调控源漏电极沟道电流I_DS的变化，PVDF柔性压电材料与并五苯有机场效应晶体管耦合将压力信号放大，信号接收设备通过图8中的曲线即可判断出施加压力的大小。本发明的柔性智能压电传感器可为今后的人工智能和生物医疗可穿戴领域的发展做出贡献。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将PET薄膜清洗并干燥，制得衬底；在衬底上沉积厚度为100nm的Al薄膜，制得栅极；在栅极上旋涂PMMA溶液得到厚度为100～400nm的PMMA薄膜，真空干燥制得介电层；在介电层上沉积厚度为40nm的并五苯，制得有源层；以透射电镜铜网为掩模版在有源层上依次沉积厚度为5nm的Cr和厚度为45nm的Au，制得源漏电极；在源漏电极上旋涂PMMA溶液作为保护层，制得OFET；所述Al薄膜的沉积速率为

所述PMMA溶液的浓度为7mg/ml；旋涂速率为4000rpm；所述并五苯的沉积速率为

所述透射电镜铜网的长度为200μm、宽度为40μm、沟道宽度为20μm；

(2)将PVDF薄膜用超纯水和酒精超声处理并干燥；将铝基单通AAO模板作为纳米倒模模板，用超纯水超声处理并干燥；将干燥好的PVDF薄膜与AAO模板的正面对齐，并使用称量纸和玻璃作为隔热层保护AAO模板和PVDF薄膜，形成玻璃/称量纸/AAO模板/PVDF薄膜/称量纸/玻璃的热压结构并对其进行热压得热压件；将热压件上的称量纸和玻璃移去，然后放置在超纯水中使AAO模板脱除，得到一面带有纳米柱的PVDF柔性材料，在PVDF柔性材料的两面分别蒸镀厚度为20nm的Au薄膜，制得PVDF柔性压电材料；所述PVDF薄膜的厚度为28μm；所述PVDF柔性材料上纳米柱的直径为200～400nm，纳米柱之间的间距为200nm；

(3)以PVDF柔性压电材料作为压电信号发生单元，以OFET作为压力传感器，用导电材料将压电信号发生单元两面的Au薄膜分别与压力传感器的栅极和源漏电极连接，形成闭合回路，制得基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器。

2.由权利要求1所述的制备方法制备的基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器。

3.根据权利要求2所述的柔性智能压电传感器，其特征在于，所述柔性智能压电传感器的最低检测极限为175Pa，灵敏度为5.17Kpa^-1。

4.权利要求2或3所述的基于并五苯有机场效应晶体管与PVDF纳米柱相耦合的柔性智能压电传感器在制备智能电子皮肤中的应用。

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