基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器包括依次設(shè)置的基底、有源層、柵絕緣層和柔性基底，其中，所述基底和有源層之間設(shè)置有源電極、漏電極，所述柔性基底和柵絕緣層之間設(shè)置有柵電極，所述柵絕緣層包括絕緣層以及所述絕緣層上的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微結(jié)構(gòu)，所述有源層為交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物納米晶。本發(fā)明壓力傳感器包括柵電極、源電極、漏電極、柵絕緣層、有源層，其中，所述有源層為交聯(lián)的有機半導(dǎo)體層材料的納米晶，其通過有機半導(dǎo)體分子之間的相互作用力形成。上述壓力傳感器具有可溶液化制備、柔性、高靈敏性等特征。
【專利說明】基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器及其制備方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器及其制備方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]壓力傳感器是工業(yè)、儀器儀表控制中最為常用的一種傳感器，并廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利、水電、鐵路交通、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、官道等眾多行業(yè)。
[0003]目前壓力傳感器的總類較多，常用的是壓阻式壓力傳感器，其利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器，具有響應(yīng)頻率高、體積小、耗電少、靈敏度高、精度好等優(yōu)點；但是由于其基于多晶硅的傳輸，制備工藝復(fù)雜、受溫度影響比較明顯，同時，硅材料柔性比較差，很難滿足高靈敏、柔性等特殊領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)、生物等方面的需求。
[0004]目前，現(xiàn)有一種基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的場效應(yīng)晶體管壓力傳感器，其作用原理與壓阻式傳感器不同，其是通過外界壓力的變化引起微結(jié)構(gòu)柵絕緣層介電常數(shù)的變化，進而引起源漏電流的變化。
[0005]由于晶體管的源漏電流具有對電容變化的一個放大效應(yīng)，因此此類傳感器的靈敏度比較高。但是，目前報道的該類傳感器有源層基于半導(dǎo)體材料的單晶片，其制備過程涉及單晶的制備及轉(zhuǎn)移，該過程比較復(fù)雜；同時，由于不同晶體之間的差異性比較大，傳感器的均勻性較差；而且不利于大面積、溶液化的制備。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):包括依次設(shè)置的基底、有源層、柵絕緣層和柔性基底，其中，所述基底和有源層之間設(shè)置有源電極、漏電極，所述柔性基底和柵絕緣層之間設(shè)置有柵電極，所述柵絕緣層包括絕緣層以及所述絕緣層上的PDMS微結(jié)構(gòu)，所述有源層為交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物納米晶。
[0008]進一步地，所述交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物納米晶為一維網(wǎng)狀或枝狀結(jié)構(gòu)。
[0009]進一步地，所述交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物為有機小分子半導(dǎo)體材料。
[0010]進一步地，所述交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物為聚合物半導(dǎo)體材料。
[0011]進一步地，所述交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物為有機小分子半導(dǎo)體材料和聚合物半導(dǎo)體材料的化合物。
[0012]進一步地說，所述有機小分子半導(dǎo)體材料為茈酰亞胺類化合物、茈酰亞胺類、金屬酞菁類化合物、噻吩類化合物、金屬卟啉類化合物或并五苯衍生物。
[0013]進一步地，所述聚合物半導(dǎo)體材料為聚噻吩類或聚芴類化合物。
[0014]進一步地，所述PDMS微結(jié)構(gòu)為陣列的柱體、椎體或倒錐體。[0015]另外，本發(fā)明還提供一種基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟:S1、在基底上制備源電極和漏電極；S2、在源電極、漏電極和基底上，制備交聯(lián)的半導(dǎo)體納米晶作為有源層；S3、在柔性基底上，制備柵電極；S4、在柔性基底和柵電極上，制備絕緣層；S5、在絕緣層上制備TODMS的微結(jié)構(gòu)形成含有微結(jié)構(gòu)的柵絕緣層；S6、將步驟(5)得到的含有微結(jié)構(gòu)的柵絕緣層，反向轉(zhuǎn)移在步驟(2)得到的有源層表面，得到基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器。
[0016]進一步地，步驟SI中所述構(gòu)造采用噴墨打印、氣溶膠噴印、濺射或蒸發(fā)的方法進行構(gòu)造；步驟S2中所述構(gòu)造的方法為旋凃、滴膜、浸泡、氣溶膠噴印、噴墨打印、絲網(wǎng)印刷或熱蒸發(fā)；步驟S3中所述構(gòu)造的方法為濺射、氣溶膠噴印、絲網(wǎng)印刷、噴墨印刷或熱蒸發(fā)；步驟S4中所述添加的方法為旋凃、濺射或打?。徊襟ES5中所述構(gòu)造的方法為光刻或印刷。
[0017]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果:所述壓力傳感器包括柵電極、源電極、漏電極、柵絕緣層、有源層，其中，所述有源層為交聯(lián)的有機半導(dǎo)體層材料的納米晶，其通過有機半導(dǎo)體分子之間的相互作用力形成。上述壓力傳感器具有可溶液化制備、柔性、高靈敏性。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0018]圖1示出本發(fā)明實施例的基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【【具體實施方式】】
[0019]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0020]如圖1所示，本實施例提供一種基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器，包括依次設(shè)置的基底1、有源層4、柵絕緣層5和柔性基底7。
[0021]其中，基底I和有源 層4之間設(shè)置有源電極2、漏電極3，柔性基底7和柵絕緣層5之間設(shè)置有柵電極6，柵絕緣層5包括絕緣層以及絕緣層上的PDMS (聚二甲基硅氧烷)微結(jié)構(gòu)，有源層為交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物納米晶。
[0022]本實施例提供的壓力傳感器包括柵電極6、源電極2、漏電極3、柵絕緣層5、有源層4，其中，有源層為交聯(lián)的有機半導(dǎo)體層材料的納米晶，其通過有機半導(dǎo)體分子之間的相互作用力形成。上述壓力傳感器具有可溶液化制備、柔性、高靈敏性。
[0023]進一步地，交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物納米晶為一維網(wǎng)狀或枝狀結(jié)構(gòu)；交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物為有機小分子半導(dǎo)體材料、聚合物半導(dǎo)體材料、或有機小分子半導(dǎo)體材料和聚合物半導(dǎo)體材料的混合物；半導(dǎo)體材料納米晶為茈酰亞胺類化合物、茈酰亞胺類、金屬酞菁化合物、金屬卟啉化合物、并五苯衍生物、聚噻吩類化合物或聚芴類化合物。
[0024]進一步地，PDMS微結(jié)構(gòu)為陣列的柱體、椎體或倒錐體；優(yōu)選柱體的間距為5~50 ii m,直徑為10~40 ii m ;椎體的間距為5~200 U m,椎體的直徑為大段直徑為20-500 u m,小段直接為 5-50 u m。
[0025]進一步地，基底I為硅、二氧化硅、玻璃、石英、PET (聚對苯二甲酸乙二酯)、PC (聚碳酸酯)、PI (聚酰亞胺)、PEN (聚萘二甲酸乙二醇酯)基底；柔性基底7為P1、PET、PC或PEN
基底。?
[0026]另外，本發(fā)明還提供一種基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟:
[0027]S1、在基底I上制備源電極2和漏電極3 ；
[0028]S2、在源電極2、漏電極3和基底I上，制備交聯(lián)的半導(dǎo)體納米晶作為有源層4 ；
[0029]S3、在柔性基底7上，制備柵電極6 ；
[0030]S4、在柔性基底7和柵電極6上，制備絕緣層；
[0031]S5、在絕緣層上制備PDMS的微結(jié)構(gòu)形成含有微結(jié)構(gòu)的柵絕緣層；
[0032]S6、將步驟(5)得到的含有微結(jié)構(gòu)的柵絕緣層，反向轉(zhuǎn)移在步驟(2)得到的有源層表面，得到基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器。
[0033]實施例1
[0034]本實施例所制得的是基于頂柵-底接觸型的壓力傳感器，其制作方法如下:
[0035]SI，在硅基底I上利用熱蒸發(fā)制備一層厚度為IOOnm金材質(zhì)的源電極2和漏電極
3。其中，源電極2、漏電極3的寬度均為200iim，長度均為1000 y m，兩電極之間的距離為20 u m0
[0036]S2，在硅基底I和源電極2、漏電極3上，通過旋凃方法制備交聯(lián)的一維茈酰亞胺類化合物納米晶作為有源層4。
[0037]S3，在PET基底7上，利用濺射的方法制備一層厚度為IOOnm的柵電極6，該柵電極由Si構(gòu)成。其中,PET基底7的制作方法為將PET (Polyethylene terephthalate,聚對苯二甲酸類塑料)作為基底，依次用丙酮、乙醇、純凈水超聲40分鐘，之后用N2氣吹干，放入100°C真空烘箱中放置10分鐘，形成PET基底7。
[0038]S4，在PET基底7和柵電極6上，利用旋凃的方法制備PMMA(polymethylmethacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)層。
[0039]S5，在步驟S4中得到的PMMA層表面，利用氣溶膠噴印的方法制備PDMS的微結(jié)構(gòu)，將PMMA層和PDMS的微結(jié)構(gòu)作為柵絕緣層5。
[0040]S6，將步驟S5中得到的柵絕緣層5連同PET基底7和柵電極6 —起翻轉(zhuǎn)，并轉(zhuǎn)移到步驟S2中得到的有源層4表面，即制得上述壓力傳感器。
[0041]該實施例中，步驟S2中交聯(lián)的一維茈酰亞胺類化合物納米晶的制備方法為:利用旋涂方法將茈酰亞胺類化合物的氯仿溶液轉(zhuǎn)移到硅基底I和源電極2、漏電極3上，經(jīng)過70°C熱退火處理，茈酰亞胺類化合物形成一維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)膜，其中，茈酰亞胺類化合物濃度為6mg/ml。
[0042]步驟S5中氣溶膠噴印的方法制備PDMS的微結(jié)構(gòu)為柱狀結(jié)構(gòu)；進一步地，PDMS的柱狀結(jié)構(gòu)直徑為20 u m,柱體的間距為50 u m。
[0043]實施例2
[0044]本實施例所制得的是基于頂柵-底接觸型的壓力傳感器，其制作方法如下:
[0045]SI，在PC基底I上利用濺射方法制備一層厚度為IOOnm金材質(zhì)的源電極2和漏電極3。其中，源電極2、漏電極3的寬度均為200iim，長度均為200 y m，兩電極之間的距離為20 u m0
[0046]S2，在PC基底I和源電極2、漏電極3上，通過液相滴膜的方法制備交聯(lián)的一維金屬卟啉類化合物納米晶與聚芴的混合膜作為有源層4。
[0047]S3，在PET基底7上，利用濺射的方法制備一層厚度為60nm的柵電極6，該柵電極由金構(gòu)成。其中，PET基底7的制作方法為將PET作為基底，依次用丙酮、乙醇、純凈水超聲40分鐘，之后用N2氣吹干，放入100°C真空烘箱中放置10分鐘，形成PET基底7。
[0048]S4，在PET基底7和柵電極6上，利用濺射的方法制備一層厚度為I U m的SiO2層。
[0049]S5，在步驟S4中得到的SiO2層表面，旋凃一層PDMS，采用常規(guī)的光刻技術(shù)制備PDMS的微結(jié)構(gòu)，將SiO2層和PDMS的微結(jié)構(gòu)作為柵絕緣層5。
[0050]S6，將步驟S5中得到的柵絕緣層5連同PET基底7和柵電極6 —起翻轉(zhuǎn)，并轉(zhuǎn)移到步驟S2中得到的有源層4表面，即制得上述壓力傳感器。
[0051]該實施例中，步驟S2中交聯(lián)的一維金屬卟啉衍生物類化合物納米晶與聚芴混合膜的制備方法為:利用滴膜方法將八乙基卟啉鋅和聚芴的氯仿溶液轉(zhuǎn)移到PET基底I和源電極2、漏電極3上，經(jīng)過100°C熱退火處理，形成交聯(lián)的一維金屬卟啉衍生物類化合物納米晶與聚芴的混合膜，其中，八乙基卟啉鋅化合物濃度為lmg/ml。
[0052]步驟S5中得到的PDMS的微結(jié)構(gòu)為倒錐體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)；進一步地,椎體結(jié)構(gòu)的高為200 u m,下端直接為20 u m,上端直徑為40 u m,柱體的間距為100 u m。
[0053]實施例3
[0054]本實施例所制得的是基于頂柵-底接觸型的壓力傳感器，其制作方法如下:
[0055]SI，在石英基底I上利用濺射方法制備一層厚度為IOOnm銀材質(zhì)的源電極2和漏電極3。其中，源電極2、漏電極3的寬度均為500iim，長度均為2000 y m，兩電極之間的距離為50 u m。
[0056]S2，在基底I和源電極2、漏電極3上，通過浸泡的方法制備交聯(lián)的一維并五苯衍生物納米晶作為有源層4。
[0057]S3，在PI基底7上，利用濺射的方法制備一層厚度為60nm的柵電極6，該柵電極6由金構(gòu)成。其中，PI基底7的制作方法為將PI作為基底，依次用丙酮、乙醇、純凈水超聲40分鐘，之后用N2氣吹干，放入150°C真空烘箱中放置10分鐘，形成PI基底7。
[0058]S4，在PET基底7和柵電極6上，利用旋凃的方法制備一層聚苯乙烯(PS)層。
[0059]S5，在步驟S4中得到的PS層表面，旋凃一層PDMS，利用熱壓印的方法，制備PDMS的微結(jié)構(gòu)，將PS層和PDMS的微結(jié)構(gòu)作為柵絕緣層5。
[0060]S6，將步驟S5中得到的柵絕緣層5連同PET基底7和柵電極6 —起翻轉(zhuǎn)，并轉(zhuǎn)移到步驟S2中得到的有源層4表面，即制得上述壓力傳感器。
[0061]該實施例中，步驟S2中交聯(lián)的一維并五苯衍生物納米晶的制備方法為:利用浸泡的方法將并五苯衍生物的氯苯溶液轉(zhuǎn)移到石英基底I和源電極2、漏電極3上，經(jīng)過常溫溶劑揮發(fā)，并五苯衍生物形成一維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)膜，其中，并五苯衍生物濃度為2mg/ml o
[0062]步驟S5中得到采用熱壓印的方法制備PDMS的微結(jié)構(gòu)為柱狀結(jié)構(gòu)；進一步地，PDMS的柱狀結(jié)構(gòu)的直徑為10 u m,柱體的間距為20 u m。
[0063]實施例4
[0064]本實施例所制得的是基于頂柵-底接觸型的壓力傳感器，其制作方法如下:
[0065]SI，在玻璃基底I上利用絲網(wǎng)印刷的方法的方法制備一層厚度為300nm銀材質(zhì)的源電極2和漏電極3。其中，源電極2、漏電極3的寬度均為400iim，長度均為3000 y m，兩電極之間的距離為100 iim。[0066]S2，在基底I和源電極2、漏電極3上，通過氣溶膠噴印的方法，制備交聯(lián)的一維聚噻吩類化合物作為有源層4。
[0067]S3，在PI基底7上用濺射的方法制備一層厚度為60nm的柵電極6，該柵電極6由金構(gòu)成。其中，PI基底7的制作方法為將PI作為基底，依次用丙酮、乙醇、純凈水超聲40分鐘，之后用N2氣吹干，放入100°C真空烘箱中放置10分鐘，形成PI基底7。
[0068]S4，在PI基底7和柵電極6上，利用旋凃的方法制備一層PMMA層，
[0069]S5，在步驟S4中得到的PMMA層表面，利用3_維印刷方法制備PDMS的微結(jié)構(gòu)，將PMMA層和PDMS的微結(jié)構(gòu)作為柵絕緣層5。
[0070]S6，將步驟S5中得到的柵絕緣層5連同PI基底7和柵電極6 —起翻轉(zhuǎn)，并轉(zhuǎn)移到步驟S2中得到的有源層4表面，即制得上述壓力傳感器。
[0071]該實施例中，步驟S2中交聯(lián)的一維聚噻吩類化合物納米晶的制備方法包括:利用氣溶膠噴印的方法將聚噻吩類化合物的甲苯溶液轉(zhuǎn)移到在基底I和源電極2、漏電極3上，經(jīng)過120°C熱退火處理，噻吩衍生物化合物形成一維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)膜，其中，聚噻吩類化合物的濃度為20mg/ml。
[0072]步驟S5中采用熱壓印的方法制備PDMS的微結(jié)構(gòu)為錐狀結(jié)構(gòu)；進一步地，PDMS的錐狀結(jié)構(gòu)，椎體高為10 ii m,下端直徑直徑為40 ii m,上端直徑為IOiim,椎體的間距為20 u m0
[0073]本發(fā)明的壓力傳感器及其制備方法，有機半導(dǎo)體材料包括金屬酞菁類、并五苯類、萘酰亞胺類、金屬卟啉類及聚噻吩類、聚芴類等化合物，但并不局限于以上實施例。
[0074]其中，交聯(lián)有機半導(dǎo)體材料納米晶的制備方法不僅可以依照實施例1至4中分別使用的旋涂、滴膜、氣溶膠噴印和浸泡等方法來實現(xiàn)實，也可以通過噴墨印刷、凹版印刷、絲網(wǎng)印刷、輥涂和電紡絲的方法實現(xiàn)，且退火處理也可以是惰性氣體氛圍中的退火處理，實施效果基本相同，所以后續(xù)不再贅述。
[0075]本發(fā)明提供的基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器，具有可溶液化制備、柔性、高靈敏性等特征，同時本發(fā)明所提供的制備方法操作簡單，能耗低，適于工業(yè)化生產(chǎn)，因此在柔性、大面積、低成本、高靈敏性壓力傳感器的制備中具有重要的應(yīng)用價值。
[0076]以上本發(fā)明的【具體實施方式】，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思所做出的各種其他相應(yīng)的改變與變形，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器，其特征在于，包括依次設(shè)置的基底、有源層、柵絕緣層和柔性基底，其中，所述基底和有源層之間設(shè)置有源電極、漏電極，所述柔性基底和柵絕緣層之間設(shè)置有柵電極，所述柵絕緣層包括絕緣層以及所述絕緣層上的PDMS微結(jié)構(gòu)，所述有源層為交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物納米晶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物納米晶為一維網(wǎng)狀或枝狀結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其特征在于，所述交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物包括有機小分子半導(dǎo)體材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其特征在于，所述交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物為聚合物半導(dǎo)體材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其特征在于，所述交聯(lián)的半導(dǎo)體化合物為有機小分子半導(dǎo)體材料和聚合物半導(dǎo)體材料的化合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓力傳感器，其特征在于，所述有機小分子半導(dǎo)體材料為茈酰亞胺類化合物、金屬酞菁類化合物、噻吩類化合物、金屬卟啉類化合物或并五苯衍生物。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓力傳感器，其特征在于，所述聚合物半導(dǎo)體材料為聚噻吩類化合物或聚芴類化合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述PDMS微結(jié)構(gòu)為陣列的柱體、椎體或倒錐體。
9.權(quán)利要求1?8任一項所述的基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 51、在基底上制備源電極和漏電極； 52、在源電極、漏電極和基底上，制備交聯(lián)的半導(dǎo)體納米晶作為有源層； 53、在柔性基底上，制備柵電極； 54、在柔性基底和柵電極上，制備絕緣層； 55、在絕緣層上制備PDMS的微結(jié)構(gòu)形成含有微結(jié)構(gòu)的柵絕緣層； 56、將步驟(5)得到的含有微結(jié)構(gòu)的柵絕緣層，反向轉(zhuǎn)移在步驟(2)得到的有源層表面，得到基于微結(jié)構(gòu)柵絕緣層的壓力傳感器。
10.權(quán)利要求9所述的壓力傳感器的制備方法，其特征在于， 步驟SI中所述構(gòu)造采用噴墨打印、氣溶膠噴印、濺射或蒸發(fā)的方法進行構(gòu)造； 步驟S2中所述構(gòu)造的方法為旋凃、滴膜、浸泡、氣溶膠噴印、噴墨打印、絲網(wǎng)印刷或熱蒸發(fā)； 步驟S3中所述構(gòu)造的方法為濺射、氣溶膠噴印、絲網(wǎng)印刷、噴墨印刷或熱蒸發(fā)； 步驟S4中所述添加的方法為旋凃、濺射或打??； 步驟S5中所述構(gòu)造的方法為光刻或印刷。
【文檔編號】G01L1/16GK103490010SQ201310397699
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】潘革波, 王鳳霞 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所