一种基于有机场效应管压力传感器及其制备方法与流程

本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种基于有机场效应管压力传感器及其制备方法。

背景技术：

传感器的应用领域十分宽广，可以说从太空到海洋，从各种复杂的工程系统到人们日常生活的衣食住行，都离不开各种各样的传感器，传感技术对国民经济的发展日益起着巨大的作用。其中压力传感器由于其可检测压强、加速度、高度、流速、压力等，被广泛应用于水利、天文、气象、化工、医疗卫生行业中。而有机场效应晶体管压力传感器相比于传统电阻式器件，由于具有灵敏度高、室温工作、易于集成以及独立的多参数来提高选择性等优点，加上有机材料本身所具备的由于质轻、价廉、具有柔性、制备方法简单、种类多、性能可通过分子设计进行调整等优势，在压力传感器领域一直倍受人们关注。然而，随着材料和制作工艺成本的增长，加上人们对环保电子材料的渴望，促使人们研发低成本、制备方法简单、种类多、环境友好的有机电子材料。

介电层作为有机场效应晶体管一个重要的组成部分，现阶段的溶液制备大多大量使用了氯苯、甲苯、氯仿以及苯甲醚等有毒试剂，探究一种水溶液或醇溶液的介电层材料成为实现绿色工艺的重要一环。竹纤维素作为一种天然的纤维素，其具有多介孔结构，将其用到介电层中，压力变化后，将引起介电层厚度以及结构的变化，从而其介电常数发生较大变化，从而实现对压力的高灵敏高响应探测。并且其具有含量丰富，生物环保，高介电常数，跟人体无抵触排异现象等优点，因此具有广泛应用于人体电子器件中的巨大潜力。

众所周知，生物半导体材料大多迁移率都较低，同时稳定性也不尽如人意。而有机层与介电层掺杂，是提升有机场效应晶体管器件性能和稳定性的一个简单有效的措施。竹纤维作为一种天然纤维，具有多孔介孔结构，将其用到半导体层中，压力变化后，将引起半导体材料迁移率和结构的变化，从而其电学性质发生较大变化，更容易感应外界的压力，提升了有机场效应管的压力传感响应，实现器件对压力的高灵敏高响应探测。同时，由于介电材料对有机层的掺杂，使得有机层更容易附着在介电层之上，并且使得有机层形貌更加有序，从而使器件的压力传感性能保持了较高的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于：解决目前有机场效应管压力传感器制作工艺复杂，使用材料对环境造成污染的问题，提供一种采用生物混合材料介电层和生物材料掺杂半导体层的有机场效应管压力传感器及其制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于有机场效应管压力传感器，包括位于最底层的衬底1，衬底表面设置有栅电极2，衬底与栅电极上面设置有介电层3，介电层上面设置有半导体层4，半导体层上分别设置有源电极5和漏电极6，在衬底上还设置有封装层7将栅电极、介电层、半导体层、源电极和漏电极包裹其中，其中介电层为竹纤维素与生物介电材料的混合材料，竹纤维素含量为50％～75％，半导体层为竹纤维与可溶性生物半导体材料的混合材料，纤维素含量为5％～15％。

优选的，所述竹纤维素与生物介电材料的混合材料形成的介电层厚度为200～600nm。

优选的，所述竹纤维与生物半导体材料的混合材料形成的半导体层厚度为50～100nm，可溶性生物半导体材料为胡萝卜素和靛蓝中的一种。

优选的，所述栅电极、源电极和漏电极材料为铁纳米线、铜纳米线、银纳米线、金纳米线、铝纳米线、镍纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线和铂纳米线中的一种。

优选的，所述封装层材料为虫胶，厚度为200～300nm。

一种基于有机场效应管压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、制作衬底并清洗吹干；

步骤2、在衬底表面制备金属纳米线栅电极；

步骤3、将竹纤维素与生物介电材料按比例超声混合，将混合好的竹纤维素与生物介电材料溶液通过旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷和喷涂中的一种方法在栅电极上制备介电层；

步骤4、将竹纤维与生物半导体材料进行按比例超声混合，将混合好的竹纤维与生物半导体材料溶液通过动甩旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法在介电层上制备半导体层；

步骤5、在半导体层上制备材料为金属纳米线的源电极和漏电极；

步骤6、通过加热使虫胶热熔再热聚合的方法在源电极和漏电极上制备虫胶层作为封装层。

优选的，所述步骤2和步骤5所述的金属纳米线为铁纳米线、铜纳米线、银纳米线、金纳米线、铝纳米线、镍纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线和铂纳米线中的一种。

优选的，所述步骤2中金属纳米线栅电极通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印和旋涂中的一种方法制备。

优选的，所述步骤5中材料为金属纳米线的源电极和漏电极通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印和旋涂中的一种方法在半导体层上制备。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，介电层为竹纤维与生物介电材料混合材料，竹纤维素的介电常数大，是一种理想的介电材料，将纤维素与生物介电材料混合，形成多介孔的介电层，压力变化将引起介电层厚度以及结构的变化，从而其介电常数发生较大变化，从而实现对压力的高灵敏高响应探测；

2、本发明中，半导体层为竹纤维与生物半导体材料混合材料，由于纤维素的多介孔结构，当混合形成的半导体层所受压力变化时，将引起半导体材料迁移率，接触电阻以及结构的变化，从而其电学性质发生较大变化，更容易感应外界的压力，提升了有机场效应管的压力传感响应，实现器件对压力的高灵敏高响应探测；

3、本发明中，半导体层为竹纤维与生物半导体材料混合材料，由于竹纤维具备优良的吸附性能，提升了有机半导体层在介电层上的附着，减少材料的浪费并且有效的提升了器件稳定性能；

4、本发明中，场效应管压力传感器，由于包含各种生物材料或生物友好材料，使其具备应用于柔性、微型、仿生、生物电子以及一次性人体电子器件中的巨大潜力；

5、本发明中，制备方法可以最好地兼容生物材料功能层，及减少制备过程对环境的污染；

6、本发明中，制备金属纳米线作为栅电极、源电极、漏电极，采用这种工艺可以减少对介电层和半导体层的损坏；

7、本发明中，竹纤维是一种天然生物材料，含量丰富，提取工艺简单，与环境友好，具备优良的防紫外线功能，将其应用于介电层与半导体层的掺杂，将有效的提升器件的稳定性，同时由于虫胶天然的致密结构，防止水氧的侵蚀，使整个器件具备很好的大气稳定性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中标记：1-衬底，2-栅电极，3-介电层，4-半导体层，5-源电极，6-漏电极，7-封装层；

图2为氨气传感器气体响应时间电流曲线；

图3为半导体层纤维素含量与开态电流关系表。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于有机场效应管压力传感器，包括位于最底层的衬底1，衬底表面设置有栅电极2，衬底与栅电极上面设置有介电层3，介电层上面设置有半导体层4，半导体层上分别设置有源电极5和漏电极6，在衬底上还设置有封装层7将栅电极、介电层、半导体层、源电极和漏电极包裹其中。

其中介电层为竹纤维素与生物介电材料的混合材料，竹纤维素含量为50％～75％，生物介电材料包括丝蛋白、明胶、玉米蛋白、鸡蛋白、虫胶等，介电层厚度为200～600nm。

其中半导体层为竹纤维与可溶性生物半导体材料的混合材料，纤维素含量为5％～15％，可溶性生物半导体材料为胡萝卜素和靛蓝中的一种，半导体层厚度为50～100nm。。

栅电极、源电极和漏电极材料为铁纳米线、铜纳米线、银纳米线、金纳米线、铝纳米线、镍纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线和铂纳米线中的一种。

封装层材料为虫胶，厚度为200～300nm。

一种基于有机场效应管压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、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，清洗后用氮气吹干；

步骤2、通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印和旋涂中的一种方法，在衬底表面制备金属纳米线栅电极，金属纳米线为铁纳米线、铜纳米线、银纳米线、金纳米线、铝纳米线、镍纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线和铂纳米线中的一种；

步骤3、将竹纤维素与生物介电材料按比例超声混合，将混合好的竹纤维素与生物介电材料溶液通过旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷和喷涂中的一种方法在栅电极上制备介电层；

步骤4、将竹纤维与生物半导体材料进行按比例超声混合，将混合好的竹纤维与生物半导体材料溶液通过动甩旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法在介电层上制备半导体层；

步骤5、通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印和旋涂中的一种方法，在半导体层上制备材料为金属纳米线的源电极和漏电极，金属纳米线为铁纳米线、铜纳米线、银纳米线、金纳米线、铝纳米线、镍纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线和铂纳米线中的一种；

步骤6、通过加热使虫胶热熔再热聚合的方法在源电极和漏电极上制备虫胶层作为封装层，先迅速提高器件加热温度，使得虫胶热熔状态，使封装层的虫胶与衬底熔到在一起，然后加热虫胶到热聚合温度，使得虫胶发生热聚合反应，进而固化为一体，起到封装作用。

半导体层纤维素含量不同，其对应的场效应管开态电流不同，图3为半导体层纤维素含量与开态电流关系表。

实施例1

一种基于有机场效应管压力传感器，如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为银纳米线，介电层采用竹纤维素与明胶的混合材料，厚度为200nm，其中竹纤维素占60％，半导体层为靛蓝与竹纤维(含量为10％)混合构成，厚度为50nm，虫胶封装层厚度为300nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管压力传感器，其制备方法为：

1、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，清洗后用氮气吹干；

2、在衬底表面制备银纳米线栅电极；

3、将竹纤维素与明胶进行按比例超声混合，在所述栅电极上面制备介电层；

4、将竹纤维与靛蓝材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在介电层上制备半导体层：

5、在有机半导体层上制备银纳米线源电极和漏电极；

6、在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。

实施例2

如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为金纳米线，介电层采用竹纤维素与丝蛋白的混合材料，厚度为500nm，其中竹纤维素占70％，半导体层为胡萝卜素与竹纤维(含量为50％)混合构成，厚度为70nm，虫胶封装层厚度为200nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管压力传感器，其制备方法为：

1、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，清洗后用氮气吹干；

2、在衬底表面制备金纳米线栅电极；

3、将竹纤维素与丝蛋白进行按比例超声混合，在所述栅电极上面制备介电层；

4、将竹纤维与胡萝卜素材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在介电层上制备半导体层；

5、在有机半导体层上制备金纳米线源电极和漏电极；

6、在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。

实施例3

如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为铟纳米线，介电层采用竹纤维素与鸡蛋白的混合材料，厚度为300nm，其中竹纤维素占75％，半导体层为靛蓝与竹纤维(含量为15％)混合构成，厚度为60nm，虫胶封装层厚度为250nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管压力传感器，其制备方法为：

1、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，清洗后用氮气吹干；

2、在衬底表面制备银纳米线栅电极；

3、将竹纤维素与鸡蛋白进行按比例超声混合，在所述栅电极上面制备介电层；

4、将竹纤维与靛蓝材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在介电层上制备半导体层；

5、在有机半导体层上制备铟纳米线源电极和漏电极；

6、在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。

实施例4

如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为钨纳米线，介电层采用竹纤维素与虫胶的混合材料，厚度为200nm，其中竹纤维素占65％，半导体层为胡萝卜素与竹纤维(含量为15％)混合构成，厚度为80nm，虫胶封装层厚度为200nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管压力传感器，其制备方法为：

1、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，清洗后用氮气吹干；

2、在衬底表面制备银纳米线栅电极；

3、将竹纤维素与虫胶进行按比例超声混合，在所述栅电极上面制备介电层；

4、将竹纤维与胡萝卜素材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在介电层上制备半导体层；

5、在有机半导体层上制备钨纳米线源电极和漏电极；

6、在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。

实施例5

如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为银纳米线，介电层采用竹纤维素与玉米蛋白的混合材料，厚度为200nm，其中竹纤维素占70％，半导体层为靛蓝与竹纤维(含量为15％)混合构成，厚度为90nm，虫胶封装层厚度为200nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管压力传感器，器制备方法为：

1、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，清洗后用氮气吹干；

2、在衬底表面制备银纳米线栅电极；

3、将竹纤维素与玉米蛋白进行按比例超声混合，在所述栅电极上面制备介电层；

4、将竹纤维与靛蓝材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在介电层上制备半导体层；

5、在有机半导体层上制备银纳米线源电极和漏电极；

6、在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。

实施例6

如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为铜纳米线，介电层采用竹纤维素与丝蛋白的混合材料，厚度为200nm，其中竹纤维素占70％，半导体层为胡萝卜素与竹纤维(含量为10％)混合构成，厚度为80nm，虫胶封装层厚度为300nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管压力传感器，其制备方法为：

1、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，清洗后用氮气吹干；

2、在衬底表面制备铜纳米线栅电极；

3、将竹纤维素与丝蛋白进行按比例超声混合，在所述栅电极上面制备介电层；

4、将竹纤维与胡萝卜素材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在介电层上制备半导体层；

5、在有机半导体层上制备铜纳米线源电极和漏电极；

6、在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。

实施例7

如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为铝纳米线，介电层采用竹纤维素与明胶的混合材料，厚度为200nm，其中竹纤维素占60％，半导体层为靛蓝与竹纤维(含量为5％)混合构成，厚度为70nm，虫胶封装层厚度为300nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管压力传感器，其制备方法为：

①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，清洗后用氮气吹干；

②在衬底表面制备铝纳米线栅电极；

③将竹纤维素与明胶进行按比例超声混合。在所述栅电极上面制备介电层；

④将竹纤维与靛蓝材料进行按比例超声混合。用混合后的溶液在介电层上制备半导体层；

⑤在有机半导体层上制备铝纳米线源电极和漏电极；

⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。

实施例8

如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为银纳米线，介电层采用竹纤维素与明胶的混合材料，厚度为500nm，其中竹纤维素占75％，半导体层为胡萝卜素与竹纤维(含量为15％)混合构成，厚度为60nm，虫胶封装层厚度为300nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管压力传感器，其制备方法为：

1、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，清洗后用氮气吹干；

2、在衬底表面制备银纳米线栅电极；

3、将竹纤维素与明胶进行按比例超声混合，在所述栅电极上面制备介电层；

4、将竹纤维与胡萝卜素材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在介电层上制备半导体层；

5、在有机半导体层上制备银纳米线源电极和漏电极；

6、在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。

实施例9

如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为金纳米线，介电层采用竹纤维素与明胶的混合材料，厚度为600nm，其中竹纤维素占70％，半导体层为靛蓝与竹纤维混合构成，厚度为100nm，虫胶封装层厚度为200nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管压力传感器，其制备方法为：

1、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，清洗后用氮气吹干；

2、在衬底表面制备金纳米线栅电极；

3、将竹纤维素与明胶进行按比例超声混合，在所述栅电极上面制备介电层；

4、将竹纤维与靛蓝材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在介电层上制备半导体层；

5、在有机半导体层上制备银纳米线源电极和漏电极；

6、在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。

实施例10

如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为银纳米线，介电层采用竹纤维素与玉米蛋白的混合材料，厚度为200nm，其中竹纤维素占60％，半导体层为胡萝卜素与竹纤维(含量为10％)混合构成，厚度为60nm，虫胶封装层厚度为300nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管压力传感器，其制备方法为：

1、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，清洗后用氮气吹干；

2、在衬底表面制备银纳米线栅电极；

3、将竹纤维素与玉米蛋白进行按比例超声混合，在所述栅电极上面制备介电层；

4、将竹纤维与靛蓝材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在介电层上制备半导体层；

5、在有机半导体层上制备银纳米线源电极和漏电极；

6、在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。