專利名稱：一種低壓柔性otft氨氣傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柔性電子傳感器和有機(jī)聚合物材料領(lǐng)域，具體涉及一種基于P(VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物作為絕緣層的低壓柔性O(shè)TFT氨氣傳感器及其制作方法。
背景技術(shù)：
氨氣是一種工業(yè)應(yīng)用廣泛的有毒氣體，無(wú)色，有刺激性惡臭味，它對(duì)動(dòng)物或人體的上呼吸道有刺激和腐蝕作用，常被吸附在皮膚粘膜和眼結(jié)膜上，從而產(chǎn)生刺激和炎癥，人若吸入700mg· πΓ3持續(xù)30min即可中毒，若吸入1750 4000mg ·πΓ 3可危及生命，美國(guó)勞工部職業(yè)安全衛(wèi)生管理局(OSHA)規(guī)定的氨氣容許濃度為50ppm(10 _6，下同)，而美國(guó)職業(yè)安全與衛(wèi)生研究所(NIOSH)規(guī)定的上限為25ppm。目前檢測(cè)氨氣的氣敏傳感器主要有金屬半導(dǎo)體傳感器、電化學(xué)傳感器、導(dǎo)電高聚物傳感器、納米材料傳感器、電子鼻等。金屬半導(dǎo)體材料是最早應(yīng)用于氨氣傳感器的一類材料。該材料主要是依靠接觸氨氣前后的電導(dǎo)率變化進(jìn)行檢測(cè)。但是，大部分金屬半導(dǎo)體傳感器的溫度應(yīng)用范圍在200 500°C，而且選擇性差是金屬半導(dǎo)體材料應(yīng)用的最大缺陷，這給它的應(yīng)用帶來(lái)了困難。電化學(xué)氨氣傳感器是通過(guò)檢測(cè)電極在通過(guò)氨氣前后電位、電流的變化來(lái)確定氨氣的濃度，可分為電位型、直接電流型和電容型。傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器使用液體電解質(zhì)，電解質(zhì)的蒸發(fā)或污染容易導(dǎo)致傳感器信號(hào)衰降，影響傳感器的檢測(cè)精度，并且降低了傳感器的使用壽命。近年來(lái)，導(dǎo)電高聚物、納米材料等已成為氨氣傳感器的研究熱點(diǎn)，它比原有的傳感器具有制備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、應(yīng)用限制少等優(yōu)點(diǎn)。氣體通過(guò)時(shí)，吸附的氣體與敏感材料之間產(chǎn)生電子授受關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)相互作用導(dǎo)致的物性變化(如導(dǎo)電率變化)而得知檢測(cè)氣體分子存在的信息。而在氨氣傳感器相關(guān)專利方面，所報(bào)道的大多采用涂覆式或電阻型結(jié)構(gòu)，未見有基于OTFT器件結(jié)構(gòu)的氨氣傳感器專利報(bào)道。近年來(lái)，OTFT氣體傳感器在化學(xué)氣體和生化探測(cè)方面也受到了越來(lái)越多的關(guān)注，具有非常好的應(yīng)用前景。同傳統(tǒng)的氣體傳感器相比，基于OTFT結(jié)構(gòu)的氣體傳感器除了具有選擇性好、靈敏度高、可在常溫下使用等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)利用場(chǎng)效應(yīng)管的基本特性將難以檢測(cè)的高電阻變化轉(zhuǎn)化為易檢測(cè)的電流變化；可通過(guò)適當(dāng)選擇器件的柵極工作電壓來(lái)調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度；遷移率、閾值電壓等多參數(shù)模式更有利于氣體種類、濃度的識(shí)別和分析；通過(guò)對(duì)有機(jī)物分子的化學(xué)修飾可以方便地調(diào)節(jié)傳感器的電性能，提高靈敏度；易于集成，可制備大面積傳感器陣列。但是傳統(tǒng)的OTFT氣體傳感器主要借用無(wú)機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)，采用SiO2作為絕緣層，嚴(yán)重影響了器件的柔韌性；源漏電流較小，在10_7A量級(jí)，難于檢測(cè)；而且無(wú)機(jī)絕緣層與有機(jī)敏感薄膜的不匹配接觸使器件對(duì)柵壓要求較高，需達(dá)-40V左右，后端處理電路較復(fù)雜，一定程度上限制了此類傳感器的應(yīng)用范圍。劍橋大學(xué)、東京大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、普林斯頓大學(xué)及貝爾實(shí)驗(yàn)室、IBM、施樂、Epson等科研院所都開展了 OTFT及其應(yīng)用方面的工作。國(guó)內(nèi)方面，以長(zhǎng)春應(yīng)化所、中科院化學(xué)所、清華大學(xué)、北方交通大學(xué)、中電集團(tuán)26所、吉林大學(xué)和電子科技大學(xué)等為代表的研究單位相繼開展了 OTFT的研究工作，但將OTFT應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域的研究則不多。在OTFT氨氣傳感器方面，目前所報(bào)道的OTFT器件已經(jīng)有用于氨氣的檢測(cè)。如， Tm Wool..: Teoii^ , Yam: Doo Lee等人利用旋涂法將P3HT薄膜鍍?cè)跓嵫趸腟i02/Si基
上，用于檢測(cè)氨氣；劉博、傅嵩琦等人制備了基于SiO2絕緣層的OTFT器件，并用于氨氣的檢測(cè)，響應(yīng)良好。但是其結(jié)構(gòu)主要采取無(wú)機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管模式，利用SiOJt為絕緣層材料，工藝較復(fù)雜，柔韌性差，而且無(wú)機(jī)絕緣層與有機(jī)敏感薄膜接觸具有一定缺陷，要求器件工作電壓較高，電流較小，難于檢測(cè)，不能滿足OTFT氣體傳感器的實(shí)用性要求。臺(tái)灣交通大學(xué)戴銘志等人利用聚乙烯基苯酚PVP作絕緣層，并五苯作有機(jī)敏感膜的底柵頂接觸OTFT器件，對(duì)氨氣的響應(yīng)并不理想，但在絕緣層與有源層間加入直徑200nm的聚苯乙烯球體顆粒后，性能得到一定提升，可檢測(cè)O. 5ppm的氨氣，但是柵壓仍然較高，電流偏低，同時(shí)也提高了器件制備的復(fù)雜性，實(shí)用性不好。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的氨氣傳感器存在選擇性差、成本高、工藝復(fù)雜、實(shí)用性較差等問題。本發(fā)明的目的為提供一種低壓柔性的OTFT氨氣傳感器及其制作方法，該氨氣傳感器的制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、選擇性好、工作條件要求低、可室溫工作，在實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種低壓柔性的OTFT氨氣傳感器，其特征在于底柵底接觸器件構(gòu)型，設(shè)有源極、漏極、柵極，柵極采用ITO有機(jī)材料；其中源極和漏極以金材料做電極層；源極和漏極之間設(shè)置對(duì)氨氣響應(yīng)較好的P3HT有機(jī)半導(dǎo)體薄膜或P3HT/納米氧化物復(fù)合薄膜等敏感薄膜；源漏極與柵極間的絕緣層采用介電系數(shù)較高且與有機(jī)敏感薄膜接觸較好的P(VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物。所述器件需要提供的柵壓較低，為-3疒-5V，且電流較大，易于檢測(cè)。所述器件除源漏電極外，均采用有機(jī)材料，柔韌性較好，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)；而且工藝簡(jiǎn)單，降低了成本。所述器件有機(jī)敏感薄膜厚度為50 150nm，采用的絕緣層材料是P (VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物，厚度為50 200nm。按照本發(fā)明所提供的低壓柔性O(shè)TFT氨氣傳感器的制作方法，其特征在于，包括以下步驟
1)、采用ITO柔性塑料作為襯底，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；
2)、利用三種單體合成P(VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物；
3)、采取旋涂的方法利用2)中合成的材料制備有機(jī)絕緣層；
4)、制備源漏電極掩膜版；
5)、結(jié)合掩膜版，真空蒸鍍?cè)绰╇姌O；
6)、采用柔性塑料進(jìn)行封裝，用60μ m硅鋁絲分別在源漏柵三端極引出測(cè)試線路，采用壓焊的方法實(shí)現(xiàn)連接；
7)、利用旋涂法制備有機(jī)半導(dǎo)體P3HT或P3HT/納米氧化物薄膜。
根據(jù)步驟3)所述有機(jī)絕緣層材料是P (VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物，厚度為50 200nm，相對(duì)介電常數(shù)高達(dá)50，可將柵壓降到-3V左右。另外，絕緣層材料還可以選擇同類型其他三元共聚物，如P (VDF-TrFE-CFE)等。根據(jù)步驟7)中的有機(jī)敏感薄膜厚度為50 150 nm，對(duì)氨氣的敏感性、選擇性較
好。根據(jù)以上所述步驟，除源漏電極為韌性較好的鍍金薄膜外，其余材料均采用有機(jī)材料，使器件具有較高的柔韌性，可以實(shí)現(xiàn)傳感器外觀的多樣化，擴(kuò)大了傳感器的應(yīng)用范圍。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
1、采用OTFT結(jié)構(gòu)的氨氣傳感器，具有工藝簡(jiǎn)單、體積小、成本低、可集成陣列、可室溫下工作等優(yōu)點(diǎn)；
2、將無(wú)機(jī)絕緣層材料換成高介電常數(shù)的有機(jī)三元共聚物，降低了器件的工作電壓，提高了源漏電流，增強(qiáng)了器件的實(shí)用性；
3、除源漏電極采用金薄膜外，器件其他結(jié)構(gòu)均采取有機(jī)材料，提高了器件的柔韌性，擴(kuò)大了器件的應(yīng)用范圍；
4、制作絕緣層和敏感膜時(shí)，只要求使用旋涂、氣噴等簡(jiǎn)單工藝，與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料相比，降低了成膜條件和成本，適用于較大規(guī)模生產(chǎn)；
5、0TFT傳感器具有漏電流、閾值電壓、開關(guān)電流比和遷移率等多參數(shù)檢測(cè)的特點(diǎn)，更易于確定氣體的組分和濃度；將多元有機(jī)共聚物材料與薄膜工藝相結(jié)合，簡(jiǎn)化了器件制備工藝，提高了器件性能，為OTFT氨氣傳感器的制備與應(yīng)用開辟了新的途徑。


圖I是本發(fā)明所提供的OTFT氨氣傳感器結(jié)構(gòu)截面圖2是本發(fā)明所提供的絕緣層三元共聚物的合成化學(xué)反應(yīng)式。
具體實(shí)施例方式采用材料與薄膜技術(shù)制備的低壓柔性O(shè)TFT氨氣傳感器，結(jié)合圖I所示，取ITO(氧化銦錫)柔性襯底，利用偏氟乙烯(VDF)、三氟乙烯(TrFE)、三氟氯乙烯(CTFE)合成的P (VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物制備絕緣層，金薄膜作為源漏電極，源極S、漏極D和柵極G三端電極分別具有用于測(cè)試的外引線。結(jié)合圖2所示，是三元共聚物P (VDF-TrFE-CTFE)的合成反應(yīng)式。在反應(yīng)釜中加入定量蒸餾水、適量引發(fā)劑和乳化劑，用液氮冷卻至_150°C，再通入氣態(tài)的VDF、TrFE、CTFE單體，每種單體用質(zhì)量流量計(jì)控制。隨后將反應(yīng)釜升溫至引發(fā)溫度后保持恒溫，并從常溫開始以250 r /min的轉(zhuǎn)速攪拌?？偟姆磻?yīng)時(shí)間需要約4 h,以最高壓力為基準(zhǔn)，當(dāng)達(dá)到20%的轉(zhuǎn)化率時(shí)停止反應(yīng)。得到的三元共聚物分別用蒸餾水洗滌3次，在真空干燥箱中60°C干燥一天，得到最終的三元共聚物。但是由于每次實(shí)驗(yàn)都帶有一定誤差，最終都須將合成的三元共聚物進(jìn)行組分分析，確定各種材料的比例。在絕緣層制備前，首先對(duì)所制備的ITO襯底表面預(yù)處理。依次在去離子水、丙酮和無(wú)水乙醇中超聲清洗，烘干備用。首先，將合成的三元共聚物溶于D，D-二甲基甲酰胺(DMF)中，利用旋涂法在ITO襯底上成膜，然后烘干，除去表面殘留的DMF。其次，制備源漏電極掩膜版，并結(jié)合掩膜版真空蒸鍍Au電極，再做電極引線、封裝。最后，將3-己基噻吩的聚合物P3HT溶解在濃度為5mg/ml的三氯甲烷溶劑中，采用氣噴工藝，在器件表面制備一層P3HT薄膜；或者分別將3-己基噻吩的聚合物P3HT溶解在濃度為5mg/ml的三氯甲烷溶劑中，將納米氧化物溶液溶解在濃度為5mg/ml的無(wú)水乙醇溶劑中，再取等量?jī)煞N溶液配成混合液，制備P3HT/納米氧化物復(fù)合薄膜，烘干去除溶劑、測(cè)試。
權(quán)利要求
1.一種低壓柔性O(shè)TFT氨氣傳感器，其特征在于為底柵底接觸器件構(gòu)型，設(shè)有源極、漏極、柵極，柵極采用ITO柔性襯底；其中以金薄膜作源極和漏極電極層；源極和漏極之間制備對(duì)氨氣響應(yīng)較好的P3HT有機(jī)敏感薄膜或P3HT/納米氧化物復(fù)合膜等；源漏極與柵極間的絕緣層采用介電系數(shù)較高且與有機(jī)敏感膜接觸較好的P(VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低壓柔性O(shè)TFT氨氣傳感器，其特征在于，柵極電壓為-3疒-5V。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低壓柔性O(shè)TFT氨氣傳感器，其特征在于，所述P3HT或P3HT/納米氧化物復(fù)合敏感薄膜厚度為50 150nm，采用的絕緣層材料是P (VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物，厚度為50 200nm。
4.低壓柔性O(shè)TFT氨氣傳感器的制作方法，其特征在于，包括以下步驟①采用ITO柔性塑料作為襯底，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；②利用三種單體化學(xué)合成P(VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物；③用旋涂的方法將②中合成的材料來(lái)制備有機(jī)絕緣層;④制備源漏電極掩膜版；⑤結(jié)合掩膜版，真空蒸鍍?cè)绰╇姌O；⑥采用柔性塑料封裝，用60μ m硅鋁絲分別在源漏柵三端極引出測(cè)試線路，采用壓焊的方法實(shí)現(xiàn)連接；O)利用旋涂法制備P3HT有機(jī)半導(dǎo)體薄膜或P3HT/納米氧化物復(fù)合薄膜等。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低壓柔性O(shè)TFT氨氣傳感器的制作方法，其特征在于，其中步驟③所述有機(jī)絕緣層材料是P (VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物，厚度為50 200nm，相對(duì)介電常數(shù)為50，可將柵壓降到-3疒-5V。另外，絕緣層材料還可以選擇同類型其他三元共聚物，如 P (VDF-TrFE-CFE)等。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低壓柔性O(shè)TFT氨氣傳感器的制作方法，其特征在于，所述步驟⑦中的對(duì)氨氣響應(yīng)較好的P3HT有機(jī)半導(dǎo)體薄膜或P3HT/納米氧化物復(fù)合薄膜等厚度為.50 150 nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低壓柔性O(shè)TFT氨氣傳感器及其制作方法，為底柵底接觸器件構(gòu)型，設(shè)有源S、漏D、柵G三極，絕緣層和有源層。柵極采用氧化銦錫(ITO)薄膜材料，鍍?cè)谌嵝运芰弦r底上；偏氟乙烯(VDF)、三氟乙烯(TrFE)、三氟氯乙烯(CTFE)的三元共聚物P(VDF-TrFE-CTFE)作絕緣層；以有一定柔性的金薄膜做源漏電極層；源極和漏極之間制備對(duì)氨氣響應(yīng)較好的有機(jī)敏感薄膜P3HT或P3HT/納米氧化物復(fù)合膜等。本發(fā)明利用有較高介電常數(shù)的偏氟乙烯的三元共聚物取代SiO2，制作與有機(jī)敏感薄膜有較好匹配的有機(jī)絕緣層，降低了傳感器的工作電壓，提高了工作電流；同時(shí)提高了器件的柔韌性。
文檔編號(hào)G01N27/00GK102928473SQ20121048152
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者太惠玲, 蔣亞東, 張波, 謝光忠 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)