一种压力传感器及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于有机传感器件领域，尤其涉及一种压力传感器及其制备方法和应用。
背景技术：
：：2.近年来，对先进柔性传感器的研究大大促进了可穿戴设备，人工皮肤，人工神经突触等应用的发展。其中，压力传感器是一类关键的基础传感元件。目前已报道的压力传感器采用的主要有电容型、电阻型、压电型以及压阻型等几种器件结构。最近，基于有机场效应晶体管(ofet)结构的压力传感器取得较大进展，其独有的电流放大功能及可溶液加工，易集成等特点非常适用于制备新一代柔性压力传感设备，因此受到了研究人员的广泛关注。3.ofet压力传感器最初采用的是电容型结构，通过制备具有有序金字塔型凸起阵列的pdms栅极电极，可产生电容随压力变化的介电层，从而将压力转化为可探测的电学信号(zhenanbaoetal.,nat.mater.2010,9,859)。ofet的电极部分也可以制备成对压力敏感的结构，wang等人提出了将金字塔型pdms阵列镀金制备成源漏电极的器件结构，利用压阻效应可得到较高的压力传感灵敏度和极快的响应时间(liqianglietal.,adv.mater.2019,31,1805630)。4.目前基于ofet的压力传感器方向已经取得了较多的进展，也已成功应用于柔性可穿戴设备，然而其制备工艺仍然较为繁琐，且不利于大规模制造，严重限制了该类器件的实际应用前景。同时，为了实现对人工皮肤的模拟，需要在同一芯片上制备具有不同灵敏度的压力传感阵列，这也是该领域面临的重要挑战之一。技术实现要素：5.针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种压力传感器及其制备方法和应用。6.本发明的目的通过以下技术方案实现：7.一种压力传感器的制备方法，包括如下步骤：8.(1)首先在基底上制备源电极和漏电极，形成沟道区域，然后再在所得的沟道区域上制备一层有机半导体层，所述有机半导层的体材料为聚吡咯并吡咯烷酮衍生物(pdpp-tt)和聚噻吩异靛基衍生物(iiddt)中的至少一种；9.(2)在步骤(1)所述机半导体层上制备一层介电层，然后将器件置于飞秒微加工平台，将飞秒激光的入射光线经物镜聚焦到介电层的表面，随后移动载物台，使光线以设定路径扫描介电层表面，在介电层上制备出沟槽；10.(3)将浮栅电极覆盖并固定在步骤(2)所述沟槽上，形成空气介电层，即制备得到所述压力传感器。11.优选的，步骤(1)中，源电极和漏电极的制备方法均选自真空热蒸镀、磁控溅射和等离子体增强的化学气相沉积中的一种。12.优选的，步骤(1)中，源电极的厚度为10～300nm。13.优选的，步骤(1)中，漏电极的厚度为10～300nm。14.优选的，步骤(1)中，基底为硅片、玻璃、陶瓷和塑料中的一种。15.优选的，步骤(1)中，源电极和漏电极的材料均选自金属、硅片、合金、金属氧化物、重掺杂半导体和导电聚合物中的一种。16.优选的，所述金属为金、银、铝和铜中的一种。17.优选的，所述合金为镁银合金、铂金合金和镍锌合金中的一种。18.优选的，所述金属氧化物为氧化铟锡、二氧化锰和二氧化铅中的一种。19.优选的，所述重掺杂半导体为磷掺杂的硅、硼掺杂的硅和砷掺杂的硅中的一种；磷、硼或砷的掺杂质量百分浓度均为1～3％。20.优选的，所述导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩中的一种。21.优选的，步骤(1)中，有机半导体层的制备方法为旋涂、提拉和蒸镀中的一种。22.更优选的，步骤(1)所述有机半导体层的制备方法为旋涂，具体步骤为：在所得的沟道区域上涂覆一层有机半导体材料，经退火处理后，制得一层有机半导体层；更优选的，所述退火处理的温度为50～300℃，时间为1～30min。23.优选的，步骤(1)所述有机半导体材料的涂覆厚度为10～100nm。24.优选的，步骤(2)中，介电层的制备方法选自化学气相沉积、旋涂、甩膜、热氧化或真空蒸镀中的一种。25.优选的，步骤(2)中，介电层的材质为pmma、pdms、ps和pvp中的一种。26.优选的，步骤(2)中，介电层的厚度为10～50μm。27.优选的，步骤(2)中，飞秒激光加工参数包括：飞秒激光重频为1khz～10mhz、飞秒激光脉宽为5～1000fs、飞秒激光能量密度为0.1j/cm2～100j/cm2、中心波长为50～2000nm、物镜的数值孔径为na0.05～na2.0以及载物台移动速度为10000～500000μm/s。28.优选的，步骤(3)中，浮栅电极为有ito涂层的pet薄片、金属涂层的聚酰亚胺薄片、金属薄片和导电聚合物中的一种。29.优选的，步骤(3)中，浮栅电极的厚度为10～500μm。30.上述一种压力传感器的制备方法制备得到的压力传感器。31.所述压力传感器在脉搏检测、运动检测和人造触觉感知器件中的应用。32.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：33.(1)本发明采用飞秒激光微加工技术，在顶栅ofet的介电层上直接进行加工，可制备出几微米厚的空气介电层，结合柔性的浮栅电极，能够实现高灵敏的压力传感功能。34.(2)本发明提出的飞秒激光辅助的ofet压力传感器制备策略具有步骤简单，无需额外制备支撑层等优点，其制备的空气介电层厚度较低，电容可变范围大，能显著提高器件的传感灵敏度。35.(3)本发明提出的制备策略适用于多种半导体材料，有良好的普适性，并且可以制备在柔性基底上，能实现可穿戴的运动监测功能。附图说明36.图1为实施例1制备的沟槽结构的截面电子显微镜照片图。37.图2为实施例1制备的沟槽结构的光学显微镜照片图。38.图3为实施例1制备的压力传感器件在800pa压力下的源漏电流曲线图。39.图4为实施例2制备的压力传感器件在800pa压力下的源漏电流曲线。40.图5为实施例3制备的压力传感器件在800pa压力下的源漏电流曲线。41.图6为实施例3制备的压力传感器件固定在手腕处，手腕弯曲和恢复时的源漏电流信号曲线图。42.图7为本发明所述压力传感器的截面结构示意图。具体实施方式43.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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。44.实施例所述的pdpp-tt按照文献公开的方法制备得到：(y.li；s.p.singh；p.sonar.ahighmobilityp-typedpp-thieno[3,2-b]thiophenecopolymerfororganicthin-filmtransistors.adv.mater.2010,22,4862-4866.)。[0045]所述的iiddt按照文献公开的方法制备得到：(b.he；w.t.neo；t.l.chen；l.m.klivansky；h.wang；t.tan；s.j.teat；j.xu；y.liu.lowbandgapconjugatedpolymersbasedonanature-inspiredbay-annulatedindigo(bai)acceptorasstableelectrochromicmaterials.acssustainablechem.eng.2016,4,2797-2805.)。[0046]实施例1[0047]一种压力传感器的制备方法，步骤如下：[0048](1)首先将磷掺杂的硅晶圆(n型，4英寸，购自广州方岛半导体科技有限公司)切割成1.3cm×1.3cm的小块基底(硅厚度为500μm，磷掺杂的质量浓度为1.5％)，硅片表面沉积有热氧化形成的二氧化硅层，其厚度为300nm。将切割好的基底分别用超纯水、丙酮、异丙醇超声清洗。[0049](2)将步骤1中清洗干净的硅基底置于高真空热蒸发镀膜机中，使用机械泵和分子泵机组将真空度抽到5×10-4pa以下，并蒸镀一层25nm的金，作为有机场效应晶体管的底部源、漏电极，形成沟道区域。[0050](3)将步骤2中制备好的器件置于于旋涂仪中固定，将iiddt的氯仿溶液(浓度为4mg/ml)滴在器件表面，并以3000rpm的转速旋涂一层iiddt有机半导体薄膜，厚度为25nm，随后在120℃下热退火10min去除剩余的溶剂，制得有机半导体层。[0051](4)将步骤3中制备好的器件置于于旋涂仪中固定，将pmma的乙酸正丁酯溶液(浓度为200mg/ml)滴在器件表面并在表面以2000rpm的转速旋涂一层pmma聚合物薄膜，厚度为10μm，随后在90℃下热退火30min去除剩余的溶剂，得到介电层。[0052](5)将步骤4中制备好的器件置于飞秒激光加工载物台上并固定，使用数值孔径为na0.4的物镜将飞秒激光光束导入到器件表面，飞秒激光波长为1080nm，重频为10khz，脉宽为188fs。按照设定路径在pmma介电层上进行划线扫描，线间距为1μm，在电脑程序上设定激光横向移动的距离为2000μm，从而在pmma介电层上制备出长度为2000μm的沟槽结构。[0053]图1为实施例1制备的沟槽结构的截面电子显微镜照片图，从图1能够看出：飞秒激光加工的沟槽深度约为5μm。[0054]图2为实施例1制备的沟槽结构的光学显微镜照片图，从图2能够看出：飞秒激光加工的沟槽平面长度为2000μm。[0055]6)将步骤5中得到器件放置于半导体测试探针台上固定，将浮栅电极(ito涂覆的pet薄片，方阻25欧，购买于洛阳古洛玻璃有限公司)放置于沟槽结构上并用铜胶带固定，即制备得到所述压力传感器。对浮栅电极施加一定压力(800pa)，并测试其源漏电流曲线。[0056]图3为实施例1制备的压力传感器件在800pa压力下的源漏电流曲线图。如图3所示，器件的源漏电流在施加压力时迅速上升，在撤去压力时迅速下降，可以实现对压力信号的检测功能。[0057]实施例2[0058]一种压力传感器的制备方法，步骤如下：[0059](1)首先将磷掺杂的硅晶圆(n型，4英寸，购于广州方岛半导体科技有限公司)切割成1.3cm×1.3cm的小块基底(硅厚度为500μm，磷掺杂的质量浓度为1.5％)，硅片表面沉积有热氧化形成的二氧化硅层，其厚度为300nm。将切割好的基底分别用超纯水、丙酮、异丙醇超声清洗。[0060](2)将步骤1中清洗干净的硅基底置于高真空热蒸发镀膜机中，使用机械泵和分子泵机组将真空度抽到5×10-4pa以下，并蒸镀一层25nm的金，作为有机场效应晶体管的底部源、漏电极，形成沟道区域。[0061](3)将步骤2中制备好的器件置于于旋涂仪中固定，将pdpp-tt的氯仿溶液(浓度为3mg/ml)滴在器件表面，并以3000rpm的转速旋涂一层pdpp-tt有机半导体薄膜，厚度为25nm，随后在120℃下热退火10min去除剩余的溶剂，制得有机半导体层。[0062](4)将步骤3中制备好的器件置于于旋涂仪中固定，将pmma的乙酸正丁酯溶液(浓度为200mg/ml)滴在器件表面并在表面以2000rpm的转速旋涂一层pmma聚合物薄膜，厚度为10μm，随后在90℃下热退火30min去除剩余的溶剂，得到介电层。[0063](5)将步骤4中制备好的器件置于飞秒激光加工载物台上并固定，使用数值孔径为na0.4的物镜将飞秒激光光束导入到器件表面，飞秒激光波长为1080nm，重频为10khz，脉宽为188fs。按照设定路径在pmma介电层上进行划线扫描，线间距为1μm，在电脑程序上设定激光横向移动的距离为2000μm，从而在pmma介电层上制备出沟槽结构，沟槽平面长度为2000μm。[0064](6)将步骤5中得到器件放置于半导体测试探针台上固定，将浮栅电极(ito涂覆的pet薄片，方阻25欧，购于洛阳古洛玻璃有限公司)放置于沟槽结构上并用铜胶带固定，对浮栅电极施加一定压力(800pa)，并测试其源漏电流曲线。图4为实施例2制备的压力传感器件在800pa压力下的源漏电流曲线。如图4所示，器件的源漏电流在施加压力时迅速上升，在撤去压力时迅速下降，可以实现对压力信号的检测功能。[0065]实施例3[0066]一种压力传感器的制备方法，步骤如下：[0067](1)首先将聚酰亚胺(pi)薄片(厚度200μm，购买于杜邦公司)切割成1.5cm×3cm的小块基底，将切割好的基底分别用超纯水、丙酮、异丙醇超声清洗。[0068](2)将步骤1中清洗干净的pi基底置于高真空热蒸发镀膜机中，使用机械泵和分子泵机组将真空度抽到5×10-4pa以下，并蒸镀一层25nm的金，作为有机场效应晶体管的底部源、漏电极，形成沟道区域。[0069](3)将步骤2中制备好的器件置于于旋涂仪中固定，将pdpp-tt的氯仿溶液(浓度为3mg/ml)滴在器件表面，并以3000rpm的转速旋涂一层pdpp-tt有机半导体薄膜，厚度为25nm，随后在120℃下热退火10min去除剩余的溶剂，制得有机半导体层。[0070](4)将步骤3中制备好的器件置于于旋涂仪中固定，将pmma的乙酸正丁酯溶液(浓度为200mg/ml)滴在器件表面并在表面以2000rpm的转速旋涂一层pmma聚合物薄膜，厚度为10μm，随后在90℃下热退火30min去除剩余的溶剂，得到介电层。[0071](5)将步骤4中制备好的器件置于飞秒激光加工载物台上并固定，使用数值孔径为na0.4的物镜将飞秒激光光束导入到器件表面，飞秒激光波长为1080nm，重频为10khz，脉宽为188fs。按照设定路径在pmma介电层上进行划线扫描，线间距为1μm，在电脑程序上设定激光横向移动的距离为2000μm，从而在pmma介电层上制备出沟槽结构，沟槽平面长度为2000μm。[0072](6)将步骤5中得到器件放置于半导体测试探针台上固定，将浮栅电极(ito涂覆的pet薄片，方阻25欧，购于洛阳古洛玻璃有限公司)放置于沟槽结构上并用铜胶带固定，对浮栅电极施加一定压力(800pa)，并测试其源漏电流曲线。图5为实施例3制备的压力传感器件在800pa压力下的源漏电流曲线。如图5所示，器件的源漏电流在施加压力时迅速上升，在撤去压力时迅速下降，可以实现对压力信号的检测功能。此外，将该器件用胶带固定在手腕处，测试手腕弯曲和恢复时的源漏电流信号，如图6所示，手腕弯曲时会引起器件电流的升高，证明该器件可以用于手腕部位运动的监测。[0073]图7为本发明所述压力传感器的截面结构示意图，从图7中能看出：具有凹槽结构的介电层与浮栅电极形成空腔结构，这种空腔结构使得浮栅电极在受到压力时可以发生形变，改变介电层中的电场分布，引起器件电流的上升。[0074]以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。当前第1页12当前第1页12
技术特征：
1.一种压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)首先在基底上制备源电极和漏电极，形成沟道区域，然后再在所得的沟道区域上制备一层有机半导体层，所述有机半导体层的材料为聚吡咯并吡咯烷酮衍生物和聚噻吩异靛基衍生物中的至少一种；(2)在步骤(1)所述机半导体层上制备一层介电层，然后采用飞秒加工工艺扫描介电层表面，在介电层上制备出沟槽；(3)将浮栅电极覆盖并固定在步骤(2)所述沟槽上，形成空气介电层，即制备得到所述压力传感器。2.根据权利要求1所述一种压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述源电极的厚度为10～300nm；步骤(1)所述漏电极的厚度为10～300nm。3.根据权利要求2所述一种压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述介电层的厚度为10～50μm；步骤(3)所述浮栅电极的厚度为10～500μm。4.根据权利要求1～3任一项所述一种压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述源电极和漏电极的制备方法均选自真空热蒸镀、磁控溅射和等离子体增强的化学气相沉积中的一种；步骤(1)所述有机半导体层的制备方法为旋涂、提拉和蒸镀中的一种；步骤(2)所述介电层的制备方法选自化学气相沉积、旋涂、甩膜、热氧化或真空蒸镀中的一种。5.根据权利要求4所述一种压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述源电极和漏电极的材料均选自金属、硅片、合金、金属氧化物、重掺杂半导体和导电聚合物中的一种；步骤(2)所述介电层的材质为pmma、pdms、ps和pvp中的一种。6.根据权利要求5所述一种压力传感器的制备方法，其特征在于，所述金属为金、银、铝和铜中的一种；所述合金为镁银合金、铂金合金和镍锌合金中的一种；所述金属氧化物为氧化铟锡、二氧化锰和二氧化铅中的一种；所述重掺杂半导体为磷掺杂的硅、硼掺杂的硅和砷掺杂的硅中的一种；磷、硼或砷的掺杂质量百分浓度均为1～3％；所述导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩中的一种。7.根据权利要求1～3任一项所述一种压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述飞秒加工工艺的参数包括：飞秒激光重频为1khz～10mhz、飞秒激光脉宽为5～1000fs、飞秒激光能量密度为0.1j/cm2～100j/cm2、中心波长为50～2000nm、物镜的数值孔径为na0.05～na2.0以及载物台移动速度为10000～500000μm/s。8.根据权利要求7所述一种压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述浮栅电极为有ito涂层的pet薄片、金属涂层的聚酰亚胺薄片、金属薄片和导电聚合物中的一种；步骤(1)所述基底为硅片、玻璃、陶瓷和塑料中的一种。9.权利要求1～8任一项所述一种压力传感器的制备方法制备得到的压力传感器。
10.权利要求9所述压力传感器在脉搏检测、运动检测和人造触觉感知器件中的应用。

技术总结
本发明公开了一种压力传感器及其制备方法和应用。本发明通过调控飞秒激光参数，能在顶栅有机场效应晶体管的顶部介电层上加工出沟槽结构，形成空气介电层，结合浮动栅极结构，能够实现对微小压力信号的检测，具有较高的灵敏度。此外，本发明提供的制备策略适用于多种半导体材料，还可制备在柔性基底上，实现可穿戴的运动检测器件。戴的运动检测器件。戴的运动检测器件。


技术研发人员：夏建龙 陈立 吴迪 叶治军 何书进 黄哲骁 陶毅荣 张利敏
受保护的技术使用者：葛洲坝湖北襄荆高速公路有限公司
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/22