一種基于有機(jī)場效應(yīng)晶體管的濕度傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于濕度傳感器技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于有機(jī)場效應(yīng)晶體管的濕度傳感 器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 濕度是表示大氣干燥程度的一個物理量，準(zhǔn)確測量濕度在許多方面都有著重要的 用途，例如，醫(yī)學(xué)、氣象學(xué)、水文學(xué)以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方方面面。濕度傳感器，就是能夠準(zhǔn)確 測定濕度的儀器，在整個濕度探測設(shè)備中處于核心地位。
[0003] 濕度傳感器的種類繁多，主要包括電阻式濕度傳感器、電容式濕度傳感器、電解質(zhì) 離子型濕度傳感器和重量型濕度傳感器等。當(dāng)前，國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)主要是電阻式濕度傳 感器和電容式濕度傳感器，當(dāng)水蒸氣吸附在材料表面時，引起器件電阻率和電容率的變化， 從而實(shí)現(xiàn)對濕度的有效探測。然而，傳統(tǒng)電阻式與電容式濕度傳感器存在靈敏度低、探測下 限高、不易實(shí)現(xiàn)小型化、集成化，且檢測參數(shù)單一的缺點(diǎn)；與之相對，基于有機(jī)半導(dǎo)體的有機(jī) 場效應(yīng)晶體管(Organic Field-Effect Transistor，0FET)的濕度傳感器，作為一種新型的 濕度傳感器，與傳統(tǒng)電阻式濕度傳感器及電容式濕度傳感器相比，除了具有材料來源廣泛、 工藝簡單、使用壽命長和柔性襯底的可實(shí)現(xiàn)性等特點(diǎn)外，更具有響應(yīng)快、集成度高及多參數(shù) 檢測等優(yōu)點(diǎn)。同時，0FET濕度傳感器與市場化傳感器的高智能度、高靈敏度的要求相契合， 成為近年來新型濕度傳感器研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)電阻式與電容式濕度傳感器存在靈敏度低、探測下限高、不 易實(shí)現(xiàn)小型化、集成化，且檢測參數(shù)單一的缺點(diǎn)問題，而提供一種基于有機(jī)場效應(yīng)晶體管的 濕度傳感器及其制備方法，通過在有機(jī)半導(dǎo)體中引入一定量的明膠，增強(qiáng)0FET濕度傳感器 對水分的吸附，解決現(xiàn)有濕度傳感器存在的敏感性低、特征參數(shù)少、集成度低等問題。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種基于有機(jī)場效應(yīng)晶體管的濕度傳感器，包括至下而上依次設(shè)置的襯底、柵電 極、柵極絕緣層和有機(jī)半導(dǎo)體層，所述有機(jī)半導(dǎo)體層的上方連接有源電極和漏電極，其特征 在于，所述有機(jī)半導(dǎo)體層由可溶性有機(jī)半導(dǎo)體制成，所述可溶性有機(jī)半導(dǎo)體中加入有明膠， 所述可溶性半導(dǎo)體與明膠的體積比為4:1-9:1。
[0007] 所述襯底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金屬箱制成。
[0008] 所述柵極絕緣層的材料為無機(jī)絕緣材料或者有機(jī)絕緣材料;所述無機(jī)絕緣材料為 二氧化硅(Si02)、三氧化二鋁(Al 2〇3)、氮化硅(Si3N4)、二氧化鈦(Ti02)中的一種或多種的組 合;所述有機(jī)絕緣材料為聚乙烯醇(PVA)、聚酰亞胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚乙烯(PE)的中一種或多種的組合;所述柵極絕緣層厚度為20~520nm。
[0009] 所述可溶性有機(jī)半導(dǎo)體為聚3-己基噻吩(P3HT)或Tips-并五苯(Tips-Pentacene) 的中一種或兩種的組合;所述有機(jī)半導(dǎo)體層的厚度為25~400nm。
[0010] 所述柵電極、源電極和漏電極的材質(zhì)為為金、銀、銅的一種或多種;或者柵電極、源 電極和漏電極的材料為氧化銦錫導(dǎo)電薄膜或氧化鋅錫導(dǎo)電薄膜中的一種或兩種的組合;或 者是所述柵電極、源電極和漏電極的材料為導(dǎo)電復(fù)合材料，導(dǎo)電復(fù)合材料為金膠、銀膠或者 碳膠，所述柵電極、源電極和漏電極的厚度為10~1 〇〇nm。
[0011] -種基于有機(jī)場效應(yīng)晶體管的濕度傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步 驟：
[0012] (1)對襯底進(jìn)行清洗，清洗后干燥;利用洗滌劑、丙酮溶液、去離子水和異丙醇溶液 對襯底進(jìn)行清洗；
[0013] (2)在襯底的表面制備柵電極，形成柵電極的圖形；
[0014] (3)在柵電極上制備柵極絕緣層；
[0015] (4)在柵極絕緣層上制備有機(jī)半導(dǎo)體層，按照可溶性半導(dǎo)體溶液與明膠溶液的體 積比為4:1-9:1的比例進(jìn)行混溶，制備明膠-有機(jī)半導(dǎo)體層，并進(jìn)行退火處理；
[0016] (5)在有機(jī)半導(dǎo)體層上制備源電極和漏電極；
[0017] (6)將步驟(5)制得后的有機(jī)場效應(yīng)晶體管進(jìn)行封裝。
[0018] 所述步驟(2)和(5)中，柵電極、源電極、漏電極是通過真空熱蒸鍍、磁控濺射、等離 子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、絲網(wǎng)印刷、打印或旋涂中的一種方法制備。
[0019] 所述步驟(3)中，柵極絕緣層是通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、熱氧化、旋涂或 者真空蒸鍍中的一種方法制備。
[0020] 所述步驟(4)中，明膠-有機(jī)半導(dǎo)體層是通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、熱氧化、 旋涂、真空蒸鍍、輥涂、滴膜、壓印、印刷或氣噴中的一種方法制備。
[0021] 本發(fā)明在有機(jī)半導(dǎo)體層中引入一定量的明膠，利用明膠獨(dú)特的材料特性，對有機(jī) 半導(dǎo)體層薄膜的形貌進(jìn)行精確調(diào)控，控制有機(jī)半導(dǎo)體中半導(dǎo)體材料晶粒的尺寸大小，通過 對明膠比例的適當(dāng)調(diào)整，有機(jī)半導(dǎo)體層將會趨向于形成具有更小晶粒的形貌。當(dāng)晶粒更小 時，意味著在有機(jī)半導(dǎo)體中存在著更多的晶粒間隙，這將有利于水分子更加快速地擴(kuò)散到 載流子溝道當(dāng)中，從而達(dá)到更好更快地檢測濕度的作用。
[0022] 同時，由于明膠具有優(yōu)良的吸水特性，因此，有機(jī)半導(dǎo)體層中混合明膠之后，會明 顯提升半有機(jī)導(dǎo)體層對水分子的吸附作用，可以顯著提升濕度的探測下限，同時實(shí)現(xiàn)快速 檢測的目的。
[0023] 因此與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0024] 1、有機(jī)半導(dǎo)體層引入一定量的明膠之后，濕度的響應(yīng)率顯著提升，探測濃度下限 更低；
[0025] 2、與現(xiàn)有的電阻式濕度傳感器、電容式濕度傳感器相比，基于場效應(yīng)晶體管的濕 度傳感器具有多參數(shù)檢測的優(yōu)點(diǎn)，可以通過更多參數(shù)的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確探測的目的；
[0026] 3、在有機(jī)半導(dǎo)體層引入一定量的明膠之后，基于有機(jī)場效應(yīng)晶體管的濕度傳感器 將具有更快的響應(yīng)速度，能實(shí)現(xiàn)氣體的快速檢測；
[0027] 4、明膠是一種動物蛋白，來源廣泛、環(huán)境友好，且成本低廉，制備工藝簡單，易于工 業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖2是實(shí)施例7制備的器件在不同濕度條件下，器件性能的變化;其中，IQN為飽和電 流，μ為載流子迀移率，V TH為閾值電壓，可以看出器件在不同濕度條件下，器件的性能參數(shù)發(fā) 生了較大的變化，起到了準(zhǔn)確探測的效果。
[0030] 圖中標(biāo)記：1、襯底，2、柵電極，3、柵極絕緣層，4、有機(jī)半導(dǎo)體層，5、源電極，6、漏電 極。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分 實(shí)施例，并不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在沒有做出 創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的其他所用實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0032] 結(jié)合附圖，本發(fā)明的基于有機(jī)場效應(yīng)晶體管的濕度傳感器，包括至下而上依次設(shè) 置的襯底1、柵電極2、柵極絕緣層3和有機(jī)半導(dǎo)體層4,所述有機(jī)半導(dǎo)體層4的上方連接有源 電極5和漏電極6,所述有機(jī)半導(dǎo)體層4由可溶性有機(jī)半導(dǎo)體制成，所述可溶性有機(jī)半導(dǎo)體中 加入有明膠，所述可溶性半導(dǎo)體與明膠的體積比為4:1-9:1。
[0033] 襯底1可采用剛性襯底或者柔性襯底，如硅片、玻璃、聚合物薄膜和金屬箱中的一 種，有一定的防水汽和氧氣滲透的能力，有較好的表面平整度。
[0034] 柵電極2、源電極5和漏電極6采用具有低電阻的材料構(gòu)成，如金(Au)、銀(Ag)、鎂 (Mg)、鋁(A1)、銅(Cu)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鎳(Ni)等金屬及其合金材料，柵電極、源電極和漏電 極可以采用氧化銦錫（ΙΤ0)、氧化鋅錫（ΙΖ0)導(dǎo)電薄膜和導(dǎo)電復(fù)合材料，如金膠、銀膠、碳膠 等，制備方法可以是真空熱蒸鍍、磁控濺射、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、絲網(wǎng)印刷、打印、 旋涂等各種沉積方法。所述源電極和漏電極的厚度為1 〇~1 〇〇nm。
[0035] 所述柵極絕緣層3的材料為無機(jī)絕緣材料或者有機(jī)絕緣材料;所述無機(jī)絕緣材料 為二氧化硅(Si02)、三氧化二鋁(Al 2〇3)、氮化硅(Si3N4)、二氧化鈦(Ti02)中的一種或多種的 組合;所述有機(jī)絕緣材料為聚乙烯醇(PVA)、聚酰亞胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲 酯(PMMA)、聚乙烯(PE)的中一種或多種的組合;所述柵極絕緣層厚度為20~520nm;柵極絕 緣層是通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、熱氧化、旋涂或者真空蒸鍍中的一種方法制備。 [0036]可溶性有機(jī)半導(dǎo)體為并四苯、并五苯及其具有取代基的衍生物，如6,13-二三異丙 酯硅基乙炔并五苯、低聚噻吩、其包含連接在噻吩環(huán)的第2及5位置的四至八個噻吩、茈四甲 酸二酐(PTCDA)、萘四甲酸二酐(NTCDA)、酞菁銅、酞菁鋅、酞菁鈷、金屬化酞菁及其鹵代衍生 物fluorinated copper phthalocyanine(Fi6CuPc)、釀菁銅（CuPc)、亞噻吩基和 1，2-亞乙稀 基的低共聚物和共聚物、富勒稀C60及其衍生物、花Perylene及其衍生物、Alpha-六噻吩、紅 焚稀(1?1113代