一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于湿度传感器技术领域，公开了一种基于有机场效应晶体管的湿度传感 器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 湿度是表示大气干燥程度的一个物理量，准确测量湿度在许多方面都有着重要的 用途，例如，医学、气象学、水文学以及工农业生产的方方面面。湿度传感器，就是能够准确 测定湿度的仪器，在整个湿度探测设备中处于核心地位。
[0003] 湿度传感器的种类繁多，主要包括电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器、电解质 离子型湿度传感器和重量型湿度传感器等。当前，国内外的研究热点主要是电阻式湿度传 感器和电容式湿度传感器，当水蒸气吸附在材料表面时，引起器件电阻率和电容率的变化， 从而实现对湿度的有效探测。然而，传统电阻式与电容式湿度传感器存在灵敏度低、探测下 限高、不易实现小型化、集成化，且检测参数单一的缺点；与之相对，基于有机半导体的有机 场效应晶体管(Organic Field-Effect Transistor，0FET)的湿度传感器，作为一种新型的 湿度传感器，与传统电阻式湿度传感器及电容式湿度传感器相比，除了具有材料来源广泛、 工艺简单、使用寿命长和柔性衬底的可实现性等特点外，更具有响应快、集成度高及多参数 检测等优点。同时，0FET湿度传感器与市场化传感器的高智能度、高灵敏度的要求相契合， 成为近年来新型湿度传感器研究领域的一个热点。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决传统电阻式与电容式湿度传感器存在灵敏度低、探测下限高、不 易实现小型化、集成化，且检测参数单一的缺点问题，而提供一种基于有机场效应晶体管的 湿度传感器及其制备方法，通过在有机半导体中引入一定量的明胶，增强0FET湿度传感器 对水分的吸附，解决现有湿度传感器存在的敏感性低、特征参数少、集成度低等问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
[0006] -种基于有机场效应晶体管的湿度传感器，包括至下而上依次设置的衬底、栅电 极、栅极绝缘层和有机半导体层，所述有机半导体层的上方连接有源电极和漏电极，其特征 在于，所述有机半导体层由可溶性有机半导体制成，所述可溶性有机半导体中加入有明胶， 所述可溶性半导体与明胶的体积比为4:1-9:1。
[0007] 所述衬底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金属箱制成。
[0008] 所述栅极绝缘层的材料为无机绝缘材料或者有机绝缘材料;所述无机绝缘材料为 二氧化硅(Si02)、三氧化二铝(Al 2〇3)、氮化硅(Si3N4)、二氧化钛(Ti02)中的一种或多种的组 合;所述有机绝缘材料为聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚乙烯(PE)的中一种或多种的组合;所述栅极绝缘层厚度为20~520nm。
[0009] 所述可溶性有机半导体为聚3-己基噻吩(P3HT)或Tips-并五苯(Tips-Pentacene) 的中一种或两种的组合;所述有机半导体层的厚度为25~400nm。
[0010] 所述栅电极、源电极和漏电极的材质为为金、银、铜的一种或多种;或者栅电极、源 电极和漏电极的材料为氧化铟锡导电薄膜或氧化锌锡导电薄膜中的一种或两种的组合;或 者是所述栅电极、源电极和漏电极的材料为导电复合材料，导电复合材料为金胶、银胶或者 碳胶，所述栅电极、源电极和漏电极的厚度为10~1 〇〇nm。
[0011] -种基于有机场效应晶体管的湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步 骤：
[0012] (1)对衬底进行清洗，清洗后干燥;利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液 对衬底进行清洗；
[0013] (2)在衬底的表面制备栅电极，形成栅电极的图形；
[0014] (3)在栅电极上制备栅极绝缘层；
[0015] (4)在栅极绝缘层上制备有机半导体层，按照可溶性半导体溶液与明胶溶液的体 积比为4:1-9:1的比例进行混溶，制备明胶-有机半导体层，并进行退火处理；
[0016] (5)在有机半导体层上制备源电极和漏电极；
[0017] (6)将步骤(5)制得后的有机场效应晶体管进行封装。
[0018] 所述步骤(2)和(5)中，栅电极、源电极、漏电极是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离 子体增强化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的一种方法制备。
[0019] 所述步骤(3)中，栅极绝缘层是通过等离子体增强化学气相沉积、热氧化、旋涂或 者真空蒸镀中的一种方法制备。
[0020] 所述步骤(4)中，明胶-有机半导体层是通过等离子体增强化学气相沉积、热氧化、 旋涂、真空蒸镀、辊涂、滴膜、压印、印刷或气喷中的一种方法制备。
[0021] 本发明在有机半导体层中引入一定量的明胶，利用明胶独特的材料特性，对有机 半导体层薄膜的形貌进行精确调控，控制有机半导体中半导体材料晶粒的尺寸大小，通过 对明胶比例的适当调整，有机半导体层将会趋向于形成具有更小晶粒的形貌。当晶粒更小 时，意味着在有机半导体中存在着更多的晶粒间隙，这将有利于水分子更加快速地扩散到 载流子沟道当中，从而达到更好更快地检测湿度的作用。
[0022] 同时，由于明胶具有优良的吸水特性，因此，有机半导体层中混合明胶之后，会明 显提升半有机导体层对水分子的吸附作用，可以显著提升湿度的探测下限，同时实现快速 检测的目的。
[0023] 因此与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0024] 1、有机半导体层引入一定量的明胶之后，湿度的响应率显著提升，探测浓度下限 更低；
[0025] 2、与现有的电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器相比，基于场效应晶体管的湿 度传感器具有多参数检测的优点，可以通过更多参数的监控实现准确探测的目的；
[0026] 3、在有机半导体层引入一定量的明胶之后，基于有机场效应晶体管的湿度传感器 将具有更快的响应速度，能实现气体的快速检测；
[0027] 4、明胶是一种动物蛋白，来源广泛、环境友好，且成本低廉，制备工艺简单，易于工 业化大规模生产。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明的结构示意图；
[0029] 图2是实施例7制备的器件在不同湿度条件下，器件性能的变化;其中，IQN为饱和电 流，μ为载流子迀移率，V TH为阈值电压，可以看出器件在不同湿度条件下，器件的性能参数发 生了较大的变化，起到了准确探测的效果。
[0030] 图中标记：1、衬底，2、栅电极，3、栅极绝缘层，4、有机半导体层，5、源电极，6、漏电 极。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分 实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出 创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
[0032] 结合附图，本发明的基于有机场效应晶体管的湿度传感器，包括至下而上依次设 置的衬底1、栅电极2、栅极绝缘层3和有机半导体层4,所述有机半导体层4的上方连接有源 电极5和漏电极6,所述有机半导体层4由可溶性有机半导体制成，所述可溶性有机半导体中 加入有明胶，所述可溶性半导体与明胶的体积比为4:1-9:1。
[0033] 衬底1可采用刚性衬底或者柔性衬底，如硅片、玻璃、聚合物薄膜和金属箱中的一 种，有一定的防水汽和氧气渗透的能力，有较好的表面平整度。
[0034] 栅电极2、源电极5和漏电极6采用具有低电阻的材料构成，如金(Au)、银(Ag)、镁 (Mg)、铝(A1)、铜(Cu)、钙(Ca)、钡(Ba)、镍(Ni)等金属及其合金材料，栅电极、源电极和漏电 极可以采用氧化铟锡（ΙΤ0)、氧化锌锡（ΙΖ0)导电薄膜和导电复合材料，如金胶、银胶、碳胶 等，制备方法可以是真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积、丝网印刷、打印、 旋涂等各种沉积方法。所述源电极和漏电极的厚度为1 〇~1 〇〇nm。
[0035] 所述栅极绝缘层3的材料为无机绝缘材料或者有机绝缘材料;所述无机绝缘材料 为二氧化硅(Si02)、三氧化二铝(Al 2〇3)、氮化硅(Si3N4)、二氧化钛(Ti02)中的一种或多种的 组合;所述有机绝缘材料为聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲 酯(PMMA)、聚乙烯(PE)的中一种或多种的组合;所述栅极绝缘层厚度为20~520nm;栅极绝 缘层是通过等离子体增强化学气相沉积、热氧化、旋涂或者真空蒸镀中的一种方法制备。 [0036]可溶性有机半导体为并四苯、并五苯及其具有取代基的衍生物，如6,13-二三异丙 酯硅基乙炔并五苯、低聚噻吩、其包含连接在噻吩环的第2及5位置的四至八个噻吩、茈四甲 酸二酐(PTCDA)、萘四甲酸二酐(NTCDA)、酞菁铜、酞菁锌、酞菁钴、金属化酞菁及其卤代衍生 物fluorinated copper phthalocyanine(Fi6CuPc)、酿菁铜（CuPc)、亚噻吩基和 1，2-亚乙稀 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、红 焚稀(1?1113代