一种长寿命电子皮肤及其制备方法与流程

本发明涉及电子元器件技术领域，更具体的是涉及一种长寿命电子皮肤及其制备方法。

背景技术：

在现代的科技背景下，随着人们生活水平的不断提高，能够感知人体皮肤的基本信息(温度、压力等)，同时能够将采集到的数据通过外接设备显示出来的电子皮肤越来越受到人们的重视。

现有的电子皮肤，大多是将电子元器件制备成超薄的尺寸贴合于皮肤的表面，这就不可避免的面临着一些问题，比如人体分泌的汗液以及油脂对电子皮肤的侵蚀，空气中水氧对于电子皮肤的侵蚀，虽然通过二次封装，我们可以解决部分问题，但是二次封装无疑增加了制备成本，同时对器件的微型化、智能化提出了挑战。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为了解决现有电子皮肤技术中器件寿命差、灵敏度低、外接设备复杂带来的技术问题，本发明提供一种长寿命电子皮肤及其制备方法。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种长寿命电子皮肤，包括从下倒上依次设置的衬底、栅电极、栅极绝缘层和有机半导体，有机半导体上设有源电极和漏电极，所述有机半导体层中引入了质量百分比为1％-3％的虾青素、5％-7％的虫胶以及0.2％-0.5％的还原氧化石墨烯。

进一步地，所述衬底可采用刚性衬底或者柔性衬底，如硅片、玻璃、聚合物薄膜和金属箔中的一种，有一定的防水汽和氧气渗透的能力，有较好的表面平整度。

进一步地，所述源电极和漏电极的厚度为10～100nm，栅电极、源电极和漏电极采用具有低电阻的材料构成，低电阻的材料为低电阻金属材料或金属氧化物或导电复合材料，所述金属材料为金(au)、银(ag)、镁(mg)、铝(al)、铜(cu)、钙(ca)、钡(ba)、镍(ni)一种或多种；金属氧化物为氧化铟锡(ito)或氧化锌锡(izo)导电薄膜；导电复合材料为金胶、银胶、碳胶中的一种。

进一步地，所述栅极绝缘层的厚度为20～520nm，栅极绝缘层采用具有良好的介电性能的无机绝缘材料和有机绝缘材料。

进一步地，所述的无机绝缘材料为二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氧化铝(a12o3)、氟化锂(lif)、二氧化钛(tio2)、二氧化铪(hfo2)、五氧化二坦(ta2o5)的一种或多种；有机绝缘材料为聚乙烯醇(pva)、聚氯乙烯(pvc)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚苯乙烯(ps)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙基丙烯酸酯(pca)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚酰亚胺(pi)或聚乙烯(pe)一种或多种。

进一步地，所述有机半导体探测层(4)的厚度为25～400nm，有机半导体探测层(4)采用聚3-己基噻吩(p3ht)、tips-并五苯(tips-pentacene)的一种或多种可溶性有机半导体材料。

一种长寿命电子皮肤的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对制备好栅电极的玻璃衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

步骤2、在栅电极上制备栅极绝缘层；

步骤3、对栅极绝缘层经行加热烘烤；

步骤5、在栅极绝缘层上制备机半导体层，机半导体层为质量百分比为1％-3％虾青素、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯混合涂层；

步骤6、在有机半导体层制备源电极和漏电极。

进一步地，所述栅电极源电极和漏电极制备方法是真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印、旋涂中的一种。

进一步地，栅极绝缘层制备方法是等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂或者真空蒸镀中的一种。

进一步地，机半导体层制备方法是等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、滴膜、压印、印刷或气喷中的一种。

本发明的有益效果如下：

1、本发明结构简单，通过在有机半导体层中加入了质量百分比为1％-3％虾青素、5％-7％虫胶以及0.2％-0.5％还原氧化石墨烯。利用虾青素极强的抗氧化性和疏水性，使其免受水氧侵蚀，有效的提升了电子皮肤的寿命，同时，并可以通过精确控制有机半导体、虾青素、虫胶以及还原氧化石墨烯的比例来改善有机半导体层薄膜的形貌，改善虾青素的引入造成的缺陷态密度的增大，保证了器件的载流子迁移率，制备了高性能的晶体管器件，实现具有更高灵敏度的电子皮肤。本发明解决了现有电子皮肤技术中器件寿命差、灵敏度低、外接设备复杂带来的问题。

2、与现有的封装之后的晶体管类型的皮肤传感器相比，由于虾青素和虫胶的引入，使得器件免于二次封装，有效的降低了晶体管器件的厚度，实现了传感器的微型化、智能化。

3、在有机半导体层引入一定量的还原氧化石墨烯之后，有效的改善了虾青素带来的负面影响，使得器件对于压力以及温度的变化更加敏感，可以工作在低电压范围，减弱了器件对外接设备的需求，有利于实现整套设备的微型化。

4、虾青素和虫胶，来源广泛、环境友好，对敏感皮肤友好，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

图1为本发明一种高稳定性的皮肤传感器的结构示意图；

附图标记：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

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例提供一种长寿命电子皮肤，包括从下倒上依次设置的衬底1、栅电极2、栅极绝缘层3和有机半导体4，有机半导体4上设有源电极5和漏电极6，所述有机半导体层4中引入了质量百分比为1％-3％的虾青素、5％-7％的虫胶以及0.2％-0.5％的还原氧化石墨烯。

所述衬底1可采用刚性衬底或者柔性衬底，如硅片、玻璃、聚合物薄膜和金属箔中的一种，有一定的防水汽和氧气渗透的能力，有较好的表面平整度。

所述源电极和漏电极的厚度为10～100nm，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，低电阻的材料为低电阻金属材料或金属氧化物或导电复合材料，所述金属材料为金(au)、银(ag)、镁(mg)、铝(al)、铜(cu)、钙(ca)、钡(ba)、镍(ni)一种或多种；金属氧化物为氧化铟锡(ito)或氧化锌锡(izo)导电薄膜；导电复合材料为金胶、银胶、碳胶中的一种。

所述栅极绝缘层3的厚度为20～520nm，栅极绝缘层3采用具有良好的介电性能的无机绝缘材料和有机绝缘材料。

所述的无机绝缘材料为二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氧化铝(a12o3)、氟化锂(lif)、二氧化钛(tio2)、二氧化铪(hfo2)、五氧化二坦(ta2o5)的一种或多种；有机绝缘材料为聚乙烯醇(pva)、聚氯乙烯(pvc)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚苯乙烯(ps)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙基丙烯酸酯(pca)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚酰亚胺(pi)或聚乙烯(pe)一种或多种。

所述有机半导体探测层4的厚度为25～400nm，有机半导体探测层4采用聚3-己基噻吩p3ht、tips-并五苯tips-pentacene的一种或多种可溶性有机半导体材料。

实施例1

一种长寿命电子皮肤的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、对溅射好栅电极ito的玻璃衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

步骤2、采用旋涂法在ito上制备ps薄膜形成栅极绝缘层100nm；

步骤3、对旋涂好的ps薄膜经行加热烘烤；

步骤4、在栅极绝缘层上旋涂质量百分比为93.8％：1％：5％：0.2％的p3ht、虾青素、虫胶、还原氧化石墨烯混合有机半导体层100nm；

步骤5、采用真空蒸镀制备铜源电极和漏电极100nm。

对器件的压力、温度响应特性以及寿命进行测试，其探测效果好，使用寿命长。

实施例2

一种长寿命电子皮肤的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、对溅射好栅电极ito的玻璃衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

步骤2、采用旋涂法在ito上制备pmma薄膜形成栅极绝缘层520nm；

步骤3、对旋涂好的pmma薄膜经行加热烘烤；

步骤4、在栅极绝缘层上旋涂质量百分比为93.5％：1％：5％：0.5％的tips-pentacene、虾青素、虫胶、还原氧化石墨烯混合有机半导体层150nm；

步骤5、采用真空蒸镀制备银源电极和漏电极10nm。

对器件的压力、温度响应特性以及寿命进行测试，其探测效果好，使用寿命较长。

实施例3

一种长寿命电子皮肤的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、对溅射好栅电极ito的玻璃衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

步骤2、采用旋涂法在ito上制备pva薄膜形成栅极绝缘层20nm；

步骤3、对旋涂好的pva薄膜经行加热烘烤；

步骤4、在栅极绝缘层上旋涂质量百分比为91.5％：1％：7％：0.5％的tips-pentacene、虾青素、虫胶、还原氧化石墨烯混合有机半导体层200nm；

步骤5、采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极40nm。

对器件的压力、温度响应特性以及寿命进行测试，其探测效果好，使用寿命最长。

实施例4

一种长寿命电子皮肤的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、对硅为栅电极的衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

步骤2、采用热氧化或者气相沉积的方法生成一层20nmsio2作为栅极绝缘层；

步骤3、在栅极绝缘层上旋涂质量百分比为89.5％：3％：7％：0.5％的p3ht、虾青素、虫胶、还原氧化石墨烯混合有机半导体层25nm；

步骤4、采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极60nm。

对器件的压力、温度响应特性以及寿命进行测试，探测效果差，使用寿命长。

实施例5

一种长寿命电子皮肤的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、对硅为栅电极的衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

步骤2、采用旋涂法在ito上制备300nm聚乙烯吡咯烷酮薄膜形成栅极绝缘层；

步骤3、对旋涂好的聚乙烯吡咯烷酮薄膜经行加热烘烤；

步骤4、在栅极绝缘层上旋涂质量百分比为91.6％：1％：7％：0.4％的tips-pentacene、虾青素、虫胶、还原氧化石墨烯混合有机半导体层300nm；

步骤5、采用真空蒸镀制备银源电极和漏电极70nm。

对器件的压力、温度响应特性以及寿命进行测试，探测效果最好，使用寿命长。

实施例6

一种长寿命电子皮肤的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、对溅射好栅电极ito的玻璃衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

步骤2、采用反应磁控溅射在ito上制备50nm三氧化二铝薄膜形成栅极绝缘层；

步骤3、栅极绝缘层上旋涂质量百分比为93％：1％：5.5％：0.5％的tips-pentacene、虾青素、虫胶、还原氧化石墨烯混合有机半导体层350nm；

步骤4、采用真空蒸镀制备铜源电极和漏电极80nm。

对器件的压力、温度响应特性以及寿命进行测试，探测效果好，使用寿命长。

表1：加入不同比例的黄酮类化合物、虫胶、还原氧化石墨烯的器件性能参数表。