[發明專利]基于并五苯有機場效應晶體管與PVDF納米柱相耦合的柔性智能壓電傳感器

有效

• 申請號: 202010416810.0
• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN111554670B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 張叢叢;劉宏;王建;孫銘遠
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: H01L25/16
• 分類號: H01L25/16;H01L21/50
• 代理公司: 濟南譽豐專利代理事務所(普通合伙企業) 37240
• 代理人: 薛鵬喜

本發明公開了基于并五苯有機場效應晶體管與PVDF納米柱相耦合的柔性智能壓電傳感器及其制備方法，所述方法為：先制備并五苯有機場效應晶體管作為壓力傳感器，在制備一面帶有納米柱的PVDF柔性材料，在PVDF柔性材料兩面鍍Au薄膜得到PVDF柔性壓電材料作為壓電信號發生單元，再使用導電材料使壓電信號發生單元與壓力傳感器之間形成閉合回路。通過測試并五苯有機場效應晶體管的電學特性得到器件的轉移特性曲線、輸出特性曲線、器件工作的線性區域和飽和區域來知曉了器件的遷移率和開關比；通過測試不同質量的砝碼作用下柔性智能壓電傳感器的電學特性得到最低檢測極限和靈敏度，以及在人手腕處不同彎曲角度的電學特性的線性關系。

技術領域

本發明涉及柔性壓電傳感器技術領域，尤其涉及基于并五苯有機場效應晶體管與PVDF納米柱相耦合的柔性智能壓電傳感器。

背景技術

目前商業化的機器人系統的觸覺傳感，因為設計和制備技術的困難，一直落后于其他傳感技術，無法實現真正的智能化應用。機器人智能電子皮膚是利用智能材料、微機電和傳感器等技術開發的能夠模仿人體皮膚保護、感知等功能的柔性電子系統，是實現機器人觸覺功能的重要途徑。

柔性壓電材料PVDF是一種有機鐵電材料，具有材質柔韌、低密度、低阻抗和高壓電電壓常數等優點。但是由于材料本身壓電應變常數低，在微小形變作用力下產生的電荷量有限，需要高精密的儀器去測量制約了其在壓力傳感領域的應用。在材料本身的結構和改性方面是研究的一大熱點。另一方面隨著半導體工藝和微納加工技術的不斷發展，由于壓電納米材料的力-電轉換信號微弱，容易湮沒在噪聲中，場效應晶體管在電子器件中的電壓放大效果已經得到了廣泛的應用。有機場效應晶體管因其制備工藝柔性可加工和克服硅基工藝的剛性，使其在柔性顯示技術，人工智能和生物醫療可穿戴領域扮演者重要的角色。選擇合適的柔性基底和介電層以及高遷移率的小分子或聚合物材料是目前柔性晶體管制備領域研究的熱點。

所以需要對柔性壓電納米柱陣列的可控制備及其力-電耦合性能研究和OFET增強壓電型壓力傳感器的電荷轉移及傳感放大機制進行研究，以構筑出柔性高靈敏度的壓電傳感單元為智能傳感應用示范提供理論基礎與技術支持。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供基于并五苯有機場效應晶體管與PVDF納米柱相耦合的柔性智能壓電傳感器。通過納米尺度柔性壓電傳感原理和材料的設計，借助OFET器件對壓電信號的耦合增強力-電轉換信號，獲得高靈敏度的壓電型壓力傳感單元。

本發明是通過如下技術方案實現的:

本發明的第一方面，提供基于并五苯有機場效應晶體管與PVDF納米柱相耦合的柔性智能壓電傳感器的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將PET薄膜依次用超純水、丙酮和異丙醇超聲清洗，再用氧等離子清洗并在氮氣環境下干燥，制得襯底；在襯底上沉積厚度為100nm的Al薄膜，制得柵極；在柵極上旋涂PMMA溶液得到厚度為100nm～400nm的PMMA薄膜，真空干燥制得介電層；在介電層上沉積厚度為40nm的并五苯，制得有源層；以透射電鏡銅網為掩模版在有源層上依次沉積厚度為5nm的Cr和厚度為45nm的Au，制得源漏電極；在源漏電極上旋涂PMMA溶液作為保護層，制得OFET；

(2)將PVDF薄膜用超純水和酒精超聲處理并干燥；將鋁基單通AAO模板作為納米倒模模板，用超純水超聲處理并干燥；將干燥好的PVDF薄膜與AAO模板的正面對齊，并使用稱量紙和玻璃作為隔熱層保護AAO模板和PVDF薄膜，形成玻璃/稱量紙/AAO模板/PVDF薄膜/稱量紙/玻璃的熱壓結構并對其進行熱壓得熱壓件；將熱壓件上的稱量紙和玻璃移去，然后放置在超純水中使AAO模板脫除，得到一面帶有納米柱的PVDF柔性材料，在PVDF柔性材料的兩面分別蒸鍍厚度為20nm的Au薄膜，制得PVDF柔性壓電材料；