基于微结构压电栅极的生物柔性压力传感器及制备工艺

本发明属于电子器件，更进一步涉及传感器中的一种基于微结构压电栅极的生物柔性压力传感器及制备工艺。本发明可应用于仿生电子皮肤以及压力触控成像技术的电子器件中。

背景技术：

1、场效应调控压力传感器是利用有机半导体容易受外界刺激，通过改变半导体的电荷载流子密度和迁移率，从而引起电信号的变化实现传感。场效应调控压力传感器与当前主流压力传感器相比，诸如压阻式、压电式和电容式压力传感器等，具有尺寸小、结构易于设计、可实现大规模集成、抗干扰能力强、以及传感能力强等优点。然而，场效应调控压力传感器存在生物兼容性差，逐渐不能满足在各种复杂环境下工作，还有一些关键问题比如高空间分辨率亟待解决。

2、电子科技大学在其申请的专利文献“一种基于有机场效应晶体管的柔性压力传感器及其制备方法”(专利申请号：cn 201910810036.9，申请公布号：cn 110514327a)中提出了一种基于植物介电层以及生物材料半导体层的有机场效应管压力传感器及其制备方法。专利中所述柔性压力传感器为顶栅底接触式结构，其结构从下到上依次为衬底、生物材料半导体层、植物介电层、栅电极以及封装层，植物介电层由植物叶子或者花瓣生物材料制成。植物的叶子与花瓣作为一种天然的生物材料，具有三维细胞壁网络结构，将其用到介电层中与生物材料半导体层协同作用下，压力变化后将引起介电层厚度以及结构的变化，从而其电容发生较大变化，从而实现对压力的高灵敏高响应探测。该柔性压力传感器有效杜绝了有毒试剂的使用，有助于广泛应用于人体电子器件中。但是，该种传感器及其制备工艺仍然存在的不足之处是：有机场效应晶体管的柔性压力传感器制备了有源栅极，需要外接电源工作，并且在柔性电子高度集成化下，纯的生物材料无法进行大面积制备，器件不能实现大规模集成化和阵列化。

3、山东大学liu等人在其发表的论文“energy-efficient,fully flexible,high-performance tactile sensor based on piezotronic effect:piezoelectric signalamplified with organic field-effect transistors”(nano energy,2020,76:105050.)提出一种栅极独立出来的有机场效应晶体管传感器件，利用具有压电效应β-聚偏氟乙烯(pvdf)纳米棒阵列构建了一个基于压电效应的高性能、高效、完全灵活的压电触觉传感器。该传感器的沟道材料是著名的有机小分子并五苯，pvdf纳米棒阵列大大提高了材料的压电性能，将外部机械力转化为压电电压来驱动晶体管传感器件，这种结构的场效应晶体管完全使栅极与半导体层隔离，不会发生泄露电流。柔性压敏传感的灵敏度达到5.17kpa-1，在不同重量的砝码下漏电流发生变化，在可穿戴设备领域由很大发展前景。但是，该传感器件及其制备工艺仍然存在不足之处是，制备高压电性能的纳米棒阵列的工艺较为复杂，使用的沟道材料容易受环境因素影响导致器件传感性能不佳，同时这种器件结构难以实现大规模集成。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于微结构压电栅极的生物柔性压力传感器及制备工艺，用于解决现有压敏传感器纯生物材料无法实现大面积制备，器件无法大规模集成以实现高空间分辨率的传感要求，以及改变有机场效应晶体管压力传感器有源栅极的工作模式的问题。

2、为实现上述的目的的思路是，本发明开发了一种场效应调控的压敏传感器，有机半导体采用高分子聚合物聚吡咯，通过电化学合成法可以实现大面积的制备，聚吡咯已经在人体医学工程中应用于皮肤组织工程支架和皮肤细胞，可以很好的在生物体系中使用；本发明压电栅极是钛酸钡和聚二甲基硅氧烷的混合物薄膜，此功能层通过设计微结构类倒金字塔可以增强压力传感器对低压的灵敏性；本发明利用压电栅极的机电转换特性，机械外力使压电栅极层发生形变产生压电栅压，通过控制压力变化调控有机半导体中载流子的迁移输运能力，实现无源压电栅极传感器的电信号变化。此外，本发明结构采用有机场效应结构，通过阵列的类倒金字塔栅极形成规模集成化传感器，每个类倒金字塔栅极对应一个压力传感单元可实现规模化阵列传感器件，具有较高的空间分辨率。

3、实现本发明目的的技术方案如下：

4、本发明的生物柔性压力传感器采用薄膜压印组装各功能层，其功能层包括：聚硅氧烷衬底层，金属源漏电极，有机高分子层，聚乙酰胺介电层，水凝胶固定层，压电栅极层，封装层。所述功能层采用非贵金属连接；所述有机高分子层采用兼具生物相容和有机半导体特性的材料；所述压电栅极层采用具有压电特性的材料，压电栅极层表面为类倒金字塔微结构；所述水凝胶嵌入到压电栅极层类倒金字塔微结构中固定层间结构。

5、本发明生物柔性压力传感器制备工艺的步骤包括如下：

6、步骤1，旋涂聚硅氧烷，烘干形成衬底，剥离后备用；

7、步骤2，制备吡咯和对甲苯磺酸钠盐的溶液进行电化学聚合，通过控制聚合电流和聚合时间制备相应厚度有机高分子层；

8、步骤3，利用电极制作工艺，在有机高分子层上制备源漏电极；

9、步骤4，在有机高分子层上旋涂聚乙酰胺胶形成绝缘层；

10、步骤5，将组分比例为20％钛酸钡和聚硅氧烷混合物旋涂，利用模板压印，固化脱模后形成微结构压电栅极；

11、步骤6，旋涂水凝胶制备凝胶层并快速将压电栅极样品置于该凝胶层上，凝胶嵌入微结构固化后从基底剥离；

12、步骤7，在清洗干净的基底上旋涂并烘干pmma、聚乙酰胺或其他聚硅氧烷，形成包覆层。

13、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

14、第一，本发明生物柔性压力传感器栅极采用具有微结构的压电材料，取代现有技术接入外部电源的调控的方式，克服了有源栅极器件高功耗，结构复杂度高的缺陷，使得本发明降低了生物柔性压力传感器的器件结构复杂度，实现自供电传感能力，可更好的满足小功率集成电路的应用。

15、第二，本发明生物柔性压力传感器采用的原料为高分子硅氧烷聚合物、聚吡咯聚合及其他无生物毒性的有机材料，采用全薄膜式结构，同时内部连接采用非贵金属，克服了现有生物传感器无法满足复杂生物环境的不足，使得本发明的生物柔性压力传感器的每个功能层都具有环境稳定性好，价格低廉，对人体无害，能够很好的和生物所兼容的优点。

16、第三，本发明生物柔性传感器采用电化学合成的聚吡咯有机高分子材料，克服了现有场效应调控压力传感器生物兼容性差，兼具生物相容和有机半导体特性的材料无法大面积制备的不足，使得本发明的生物柔性传感器具有极好的柔韧性及较高的稳定性，易于适应生物应用环境。

17、第四，本发明生物柔性压力传感器的制备工艺采用三电极的电化学制备工艺，其中三电极制备过程易于控制，合成时间短，聚吡咯出现平面构象的半导体特性，使得本发明的生物柔性传感器件制备工艺简单，传感性能优异。

技术特征：

1.一种基于微结构压电栅极的生物柔性压力传感器，采用薄膜压印组装各功能层，其功能层包括：聚硅氧烷衬底层(1)，金属源漏电极(2)，有机高分子层(3)，聚乙酰胺介电层(4)，水凝胶固定层(5)，压电栅极层(6)，封装层(7)；其特征在于，所述功能层采用非贵金属连接；所述有机高分子层(3)采用兼具生物相容和有机半导体特性的材料；所述压电栅极层(6)采用具有压电特性的材料，压电栅极层(6)表面为类倒金字塔微结构；所述水凝胶(5)嵌入到压电栅极层(6)类倒金字塔微结构中固定层间结构。

2.根据权利要求1所述的基于微结构压电栅极的生物柔性压力传感器，其特征在于，所述金属源漏电极(2)采用无生物毒性的金属，源漏极厚度为500nm，沟道长度为20μm。

3.根据权利要求1所述的基于微结构压电栅极的生物柔性压力传感器，其特征在于，所述有机高分子层(3)采用聚吡咯材料，厚度为2–20μm。

4.根据权利要求1所述的基于微结构压电栅极的生物柔性压力传感器，其特征在于，所述的微结构压电栅极(6)采用具有压电特性的材料为钛酸钡/聚硅氧烷混合物，组分比例10-30％，厚度为100-500μm。

5.根据权利要求1所述的基于微结构压电栅极的生物柔性压力传感器，其特征在于，所述的压电栅极(6)的类倒金字塔平均锥体高度约为15μm，锥体间的距离为30μm。

6.根据权利要求1所述柔性压力传感的一种基于微结构压电栅极的柔性压力传感器制备工艺，其特征在于，该制备工艺的步骤包括如下：

7.根据权利要求6所述的基于微结构压电栅极的生物柔性压力传感器制备工艺，其特征在于，步骤2中所述电化学聚合为：离子溶液电化学聚合法，三电极合成体系中工作电极和对电极均使用9.5cm×5.4cm的锈钢板，参比电极使用ag/agcl电极，制备0.2m吡咯和0.05m对甲苯磺酸钠盐的离子溶液，设置电流密度设为0.4ma/cm2，在不锈钢工作电极上聚合形成聚吡咯薄膜。

8.根据权利要求6所述的基于微结构压电栅极的生物柔性压力传感器制备工艺，其特征在于，步骤3中所述电极制作工艺是指光刻、激光直写和电子束直写中的任一种工艺制备电极图形，并通过蒸发镀膜的物理气相沉积，磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印旋涂中的任一种方法制备金属电极。

技术总结
本发明公开了一种基于微结构压电栅极的生物柔性压力传感器及制备工艺，采用全薄膜式结构，每个功能层都是环境稳定性好，对人体无害，能够很好的和生物所兼容。同时，压敏传感器的有源层是聚吡咯薄膜，采用电化学合成法制备，吡咯原料成本低并且制备工艺简单，绿色环保，成本低廉。压电层是钛酸钡和聚二甲基硅氧烷的混合物薄膜，聚二甲基硅氧烷是最常用的柔性基底材料，价格比较低廉，钛酸钡是电子陶瓷中应用最广泛的材料，价格也很低。本发明可大规模集成具有高的空间分辨率。柔性压敏传感器的结构采用有机场效应结构，可实现规模化阵列结构的压敏传感电子皮肤等应用，具有较高的空间分辨率。

技术研发人员：李奇昆,赵克奇,胡文,杨如森
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14