一種基于有機場效應晶體管的濕度傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于濕度傳感器技術領域，公開了一種基于有機場效應晶體管的濕度傳感 器及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 濕度是表示大氣干燥程度的一個物理量，準確測量濕度在許多方面都有著重要的 用途，例如，醫學、氣象學、水文學以及工農業生產的方方面面。濕度傳感器，就是能夠準確 測定濕度的儀器，在整個濕度探測設備中處于核心地位。
[0003] 濕度傳感器的種類繁多，主要包括電阻式濕度傳感器、電容式濕度傳感器、電解質 離子型濕度傳感器和重量型濕度傳感器等。當前，國內外的研究熱點主要是電阻式濕度傳 感器和電容式濕度傳感器，當水蒸氣吸附在材料表面時，引起器件電阻率和電容率的變化， 從而實現對濕度的有效探測。然而，傳統電阻式與電容式濕度傳感器存在靈敏度低、探測下 限高、不易實現小型化、集成化，且檢測參數單一的缺點；與之相對，基于有機半導體的有機 場效應晶體管(Organic Field-Effect Transistor，0FET)的濕度傳感器，作為一種新型的 濕度傳感器，與傳統電阻式濕度傳感器及電容式濕度傳感器相比，除了具有材料來源廣泛、 工藝簡單、使用壽命長和柔性襯底的可實現性等特點外，更具有響應快、集成度高及多參數 檢測等優點。同時，0FET濕度傳感器與市場化傳感器的高智能度、高靈敏度的要求相契合， 成為近年來新型濕度傳感器研究領域的一個熱點。
【發明內容】
[0004] 本發明為了解決傳統電阻式與電容式濕度傳感器存在靈敏度低、探測下限高、不 易實現小型化、集成化，且檢測參數單一的缺點問題，而提供一種基于有機場效應晶體管的 濕度傳感器及其制備方法，通過在有機半導體中引入一定量的明膠，增強0FET濕度傳感器 對水分的吸附，解決現有濕度傳感器存在的敏感性低、特征參數少、集成度低等問題。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：
[0006] -種基于有機場效應晶體管的濕度傳感器，包括至下而上依次設置的襯底、柵電 極、柵極絕緣層和有機半導體層，所述有機半導體層的上方連接有源電極和漏電極，其特征 在于，所述有機半導體層由可溶性有機半導體制成，所述可溶性有機半導體中加入有明膠， 所述可溶性半導體與明膠的體積比為4:1-9:1。
[0007] 所述襯底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金屬箱制成。
[0008] 所述柵極絕緣層的材料為無機絕緣材料或者有機絕緣材料;所述無機絕緣材料為 二氧化硅(Si02)、三氧化二鋁(Al 2〇3)、氮化硅(Si3N4)、二氧化鈦(Ti02)中的一種或多種的組 合;所述有機絕緣材料為聚乙烯醇(PVA)、聚酰亞胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚乙烯(PE)的中一種或多種的組合;所述柵極絕緣層厚度為20~520nm。
[0009] 所述可溶性有機半導體為聚3-己基噻吩(P3HT)或Tips-并五苯(Tips-Pentacene) 的中一種或兩種的組合;所述有機半導體層的厚度為25~400nm。
[0010] 所述柵電極、源電極和漏電極的材質為為金、銀、銅的一種或多種;或者柵電極、源 電極和漏電極的材料為氧化銦錫導電薄膜或氧化鋅錫導電薄膜中的一種或兩種的組合;或 者是所述柵電極、源電極和漏電極的材料為導電復合材料，導電復合材料為金膠、銀膠或者 碳膠，所述柵電極、源電極和漏電極的厚度為10~1 〇〇nm。
[0011] -種基于有機場效應晶體管的濕度傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步 驟：
[0012] (1)對襯底進行清洗，清洗后干燥;利用洗滌劑、丙酮溶液、去離子水和異丙醇溶液 對襯底進行清洗；
[0013] (2)在襯底的表面制備柵電極，形成柵電極的圖形；
[0014] (3)在柵電極上制備柵極絕緣層；
[0015] (4)在柵極絕緣層上制備有機半導體層，按照可溶性半導體溶液與明膠溶液的體 積比為4:1-9:1的比例進行混溶，制備明膠-有機半導體層，并進行退火處理；
[0016] (5)在有機半導體層上制備源電極和漏電極；
[0017] (6)將步驟(5)制得后的有機場效應晶體管進行封裝。
[0018] 所述步驟(2)和(5)中，柵電極、源電極、漏電極是通過真空熱蒸鍍、磁控濺射、等離 子體增強化學氣相沉積、絲網印刷、打印或旋涂中的一種方法制備。
[0019] 所述步驟(3)中，柵極絕緣層是通過等離子體增強化學氣相沉積、熱氧化、旋涂或 者真空蒸鍍中的一種方法制備。
[0020] 所述步驟(4)中，明膠-有機半導體層是通過等離子體增強化學氣相沉積、熱氧化、 旋涂、真空蒸鍍、輥涂、滴膜、壓印、印刷或氣噴中的一種方法制備。
[0021] 本發明在有機半導體層中引入一定量的明膠，利用明膠獨特的材料特性，對有機 半導體層薄膜的形貌進行精確調控，控制有機半導體中半導體材料晶粒的尺寸大小，通過 對明膠比例的適當調整，有機半導體層將會趨向于形成具有更小晶粒的形貌。當晶粒更小 時，意味著在有機半導體中存在著更多的晶粒間隙，這將有利于水分子更加快速地擴散到 載流子溝道當中，從而達到更好更快地檢測濕度的作用。
[0022] 同時，由于明膠具有優良的吸水特性，因此，有機半導體層中混合明膠之后，會明 顯提升半有機導體層對水分子的吸附作用，可以顯著提升濕度的探測下限，同時實現快速 檢測的目的。
[0023] 因此與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
[0024] 1、有機半導體層引入一定量的明膠之后，濕度的響應率顯著提升，探測濃度下限 更低；
[0025] 2、與現有的電阻式濕度傳感器、電容式濕度傳感器相比，基于場效應晶體管的濕 度傳感器具有多參數檢測的優點，可以通過更多參數的監控實現準確探測的目的；
[0026] 3、在有機半導體層引入一定量的明膠之后，基于有機場效應晶體管的濕度傳感器 將具有更快的響應速度，能實現氣體的快速檢測；
[0027] 4、明膠是一種動物蛋白，來源廣泛、環境友好，且成本低廉，制備工藝簡單，易于工 業化大規模生產。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發明的結構示意圖；
[0029] 圖2是實施例7制備的器件在不同濕度條件下，器件性能的變化;其中，IQN為飽和電 流，μ為載流子迀移率，V TH為閾值電壓，可以看出器件在不同濕度條件下，器件的性能參數發 生了較大的變化，起到了準確探測的效果。
[0030] 圖中標記：1、襯底，2、柵電極，3、柵極絕緣層，4、有機半導體層，5、源電極，6、漏電 極。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合實施例對本發明作進一步的描述，所描述的實施例僅僅是本發明一部分 實施例，并不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域的普通技術人員在沒有做出 創造性勞動前提下所獲得的其他所用實施例，都屬于本發明的保護范圍。
[0032] 結合附圖，本發明的基于有機場效應晶體管的濕度傳感器，包括至下而上依次設 置的襯底1、柵電極2、柵極絕緣層3和有機半導體層4,所述有機半導體層4的上方連接有源 電極5和漏電極6,所述有機半導體層4由可溶性有機半導體制成，所述可溶性有機半導體中 加入有明膠，所述可溶性半導體與明膠的體積比為4:1-9:1。
[0033] 襯底1可采用剛性襯底或者柔性襯底，如硅片、玻璃、聚合物薄膜和金屬箱中的一 種，有一定的防水汽和氧氣滲透的能力，有較好的表面平整度。
[0034] 柵電極2、源電極5和漏電極6采用具有低電阻的材料構成，如金(Au)、銀(Ag)、鎂 (Mg)、鋁(A1)、銅(Cu)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鎳(Ni)等金屬及其合金材料，柵電極、源電極和漏電 極可以采用氧化銦錫（ΙΤ0)、氧化鋅錫（ΙΖ0)導電薄膜和導電復合材料，如金膠、銀膠、碳膠 等，制備方法可以是真空熱蒸鍍、磁控濺射、等離子體增強化學氣相沉積、絲網印刷、打印、 旋涂等各種沉積方法。所述源電極和漏電極的厚度為1 〇~1 〇〇nm。
[0035] 所述柵極絕緣層3的材料為無機絕緣材料或者有機絕緣材料;所述無機絕緣材料 為二氧化硅(Si02)、三氧化二鋁(Al 2〇3)、氮化硅(Si3N4)、二氧化鈦(Ti02)中的一種或多種的 組合;所述有機絕緣材料為聚乙烯醇(PVA)、聚酰亞胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲 酯(PMMA)、聚乙烯(PE)的中一種或多種的組合;所述柵極絕緣層厚度為20~520nm;柵極絕 緣層是通過等離子體增強化學氣相沉積、熱氧化、旋涂或者真空蒸鍍中的一種方法制備。 [0036]可溶性有機半導體為并四苯、并五苯及其具有取代基的衍生物，如6,13-二三異丙 酯硅基乙炔并五苯、低聚噻吩、其包含連接在噻吩環的第2及5位置的四至八個噻吩、茈四甲 酸二酐(PTCDA)、萘四甲酸二酐(NTCDA)、酞菁銅、酞菁鋅、酞菁鈷、金屬化酞菁及其鹵代衍生 物fluorinated copper phthalocyanine(Fi6CuPc)、釀菁銅（CuPc)、亞噻吩基和 1，2-亞乙稀 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、紅 焚稀(1?1113代