一種可彎曲的有機小分子觸覺傳感器陣列及其製備方法

2023-12-09 04:30:46

專利名稱：一種可彎曲的有機小分子觸覺傳感器陣列及其製備方法
技術領域：
本發明屬於傳感器技術領域，具體涉及可彎曲的有機小分子壓力傳感器陣列及其製備 方法。
技術背景目前比較常用的觸覺或壓力傳感器有應變片壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、擴散矽壓 力傳感器、壓電壓力傳感器，以及半導體(如非晶矽、多晶矽等)壓力傳感器，也有摻碳 黑的導電橡膠壓力傳感器，或者含碳納米管的、微機械的壓力傳感器。這些元件大多體積 比較大，重量也比較大，不易形成微元件組成的可彎曲的大面積和多單元陣列，不易形成 象手指那樣的"觸覺"測量條件。有機半導體特別是有機小分子之間，通常是以範德華力結合在一起的，大多是非常疏 松的無定形結構，材料的密度比較小，分子間的距離通常比較大，因此比較容易被壓縮， 壓縮後其導電性能也因此而改變，並且在壓力不是很大、溫度不是很高的情況下撤去壓力 後可以恢復原來的電學特性。這就是有機半導體和無機半導體的顯著不同之處。這一特性 使有機半導體具有優越的電阻隨壓力敏感的特性。這些特性與橡膠或塑料基片的可彎曲特 性結合起來，就可以製備出可彎曲的，靈敏度高，重量輕，成本低，由眾多微傳感器組成 的大面積傳感器陣列。 發明內容本發明的目的在於提出一種靈敏度高、體積小、重量輕、成本低、使用方便的可彎曲 壓力傳感器。本發明提出的壓力傳感器所用的敏感材料是有機共軛小分子半導體材料，例如常用於 有機發光器件製備的有機材料八羥基喹啉鋁(tris2(82hydroxyquinoline) aluminum, Alq)、2,9-二甲基-4，7-聯苯-l，10-鄰二氮雜菲(bathocuproine， BCP)、凡>^-二苯基^^-二(2-萘基)-1，1-聯苯-4,4-二胺 (N,N'-bis-(l-naphthl)-diphenyl-U'-biphenyl-4,4'-diamine， NPB)等等。這些 小分子材料的克分子量一般為數百，最大不超過一萬，在該有機小分子內存在共軛的大n 鍵。所用的敏感材料還包括含有上述共軛有機小分子的摻雜物，如共軛有機小分子與高分 子材料的摻雜物，共軛有機小分子與富勒烯(碳納米球)的摻雜物等。這種有機小分子壓 力傳感器或其陣列可以用於機器人的觸覺傳感設備、智能控制等多種工業自控環境，涉及 機器人、醫療器械、水利水電、生產自控、航空航天、軍工、石化、工具機、管道等眾多行業。本發明即是以上述有機共軛小分子半導體材料作為工作物質，通過壓縮該物質後測量 其電學特性的變化，即可感知在該物質上所加的壓強，從而使器件對外界壓力敏感。本發明提出的有機小分子壓力傳感器的結構如圖1所示。從下往上依次為可彎曲基 片l、第二電極2、有機材料層3、第一電極4、橡膠基片5、橡膠基片5上的突起6。上 述結構中，可彎曲基片l可採用聚醯亞胺材料。其中可彎曲基片1上的第二電極2為橫向 排列(如圖3所示)。橡膠基片5下面的第一電極4為縱向排列。第一電極4和第二電極2 垂直交叉。有機材料(即敏感材料)層為點狀，位於第一電極4和第二電極2的電極條的 交叉點處。橡膠基片5的上方，對應於兩種電極條交叉點的位置設有突起6。由此可見，本發明的傳感器的基本結構為電極/有機材料/電極，其中有機材料層主要 是指單層或多層有機共軛小分子半導體材料，也包括摻有摻雜物的有機共軛小分子半導體 材料，如有機小分子之間的摻雜物，有機小分子和高分子的摻雜物，以及有機小分子與富 勒烯(碳納米球)的摻雜物等。電極(包括第一電極和第二電極)為金屬，如Al、 Au、 Cu、或Ag等，或者是導電性能良好的有機或無機半導體材料，如銦錫氧化物(ITO)等。 兩種電極條的厚度為0.1-0.5微米，電極條的寬度為0.1 2毫米。同一種電極中，相鄰兩電 極條之間的距離為0.1-2毫米，兩種電極之間有機材料層的厚度，即縱向尺寸，通常為 0.05~50微米，橫向尺寸為0.1-2毫米。因此，本發明的觸(壓)覺傳感器單元的半徑為 0.2 5毫米。橡膠基片和可彎曲基片的厚度一般為0.2 2毫米。橡膠基片上有突起結構6， 該突起的高度為0.1-1毫米。橡膠基片上用於生長第一電極和有機材料層的凹坑深度為 0.2~100微米，儘量使凹坑深度剛好等於電極一和有機材料層的厚度之和。本發明的觸覺 傳感器原理主要是通過橡膠基片上的突起傳遞外加壓力到有機材料上，使有機材料被壓縮 後發生電阻的改變，從而通過測量這一電阻值的變化來感知外加壓力的大小本發明提出的可彎曲有機小分子觸覺傳感器的製備方法如下一是真空蒸鍍的方法。在製備好的橡膠基片5上，通過掩膜在凹坑中依次蒸鍍第一電 極和有機材料層。蒸鍍過程中保持真空腔體的真空度高於10^帕，蒸發速率在0.05 lnm/Sec 範圍內。然後在可彎曲基片1上的凹坑中蒸鍍第二電極，或者使用已經制好第二電極的可 彎曲基片。把制好的第一電極和有機材料層的橡膠基片和有第二電極的可彎曲基片在真空 腔體或惰性氣氛(如水、氧含量低於lppm的氮氣或氬氣)中進行疊合或粘合，用環氧樹 脂在周圍密封封裝好，並露出電極用於連接外電路。二是噴墨列印的方法。把有機材料溶解在溶劑中，使有機材料溶液的濃度在1~10 mg/ml的範圍內，使用噴墨列印技術(可以借鑑或使用現有的噴墨列印技術)列印有機材料層。使用該方法要儘量避免各種汙染的引入。兩個電極可以用上述真空蒸鍍或其它方法 製備。與上述方法同樣疊合二基片並封裝好。有機小分子觸覺傳感器陣列的使用方法如下在兩電極間加上電壓，測試電流的大小。所加電壓的方式有以下三種 一是方波電 脈衝；二是恆電壓；三是臺階狀的電壓。這三種加電壓的方式各有功能。方波電脈衝的功 能主要在於定量測試壓力信號的大小。方波的高電平視電場大小(一般是(l 50)Xl(^V/m) 的需要，大致位於0.1-10 V的範圍。低電平一般在OV附近。可以對相同電壓下電流的大 小進行處理，大致分析得到外加壓力的大小。恆電壓可以用於監控外加壓力的突然變化。 而臺階狀電壓可以用於選擇並優化工作電壓的大小。


圖1為有機小分子觸覺(壓力)傳感器的結構單元圖示。圖2為橡膠基片及在該基片上通過真空蒸鍍等方法生長的第一電極和有機材料層。 (a)為正視圖，(b)為頂視圖。圖3為可彎曲基片及該基片上通過真空蒸鍍等方法生長的第二電極圖示。其中(a)為 左視圖，(b)為頂視圖。圖4為以4X8矩陣為例，整個觸覺傳感器陣列的結構圖示。其中(a)為正視圖，(b) 為頂視圖。圖中標號l為可彎曲基片，2為第二電極，3為有機材料層，4為第一電極，5為橡 膠基片，6為突起。
具體實施方式
取沉積好ITO薄膜的聚醯亞胺基片，作為第二電極(陽極)的ITO的條紋寬度為 0.5 mm。通過真空蒸鍍製備厚度為100 nm的Alq薄膜，每個Alq點為直徑0.707 mm的圓， 然後在Alq上蒸鍍寬度為0.5 mm的Al金屬條紋，形成第一電極(陰極)，這樣就製備出 單位尺寸為lXlmi^的傳感器點陣，形成20X40的壓力傳感器陣列。在製備好的壓力傳 感器陣列上，覆蓋圖4所示的有突起的厚度為0.5-2 mm的橡膠，並把突起與壓力單元進 行對準，然後用環氧樹脂以及紫外或加熱的方法對器件進行封裝。封裝過程在無水無氧的 高純惰性環境下進行。封裝好以後，把壓力傳感器陣列接上特製的外接分析電路，即可以 進行壓力的測試。
權利要求
1. 一種可彎曲的有機小分子觸覺傳感器陣列，其特徵在於其結構從下往上依次為可彎曲基片(1)、第二電極(2)、有機材料層(3)、第一電極(4)、橡膠基片(5)、橡膠基片(5)上的突起(6)；上述結構中，可彎曲基片(1)採用聚醯亞胺材料；可彎曲基片(1)上的第二電極(2)為橫向排列，橡膠基片(5)下面的第一電極(4)為縱向排列；第一電極(4)和第二電極(2)垂直交叉；有機材料層為點狀，位於第一電極(4)和第二電極(2)的電極條的交叉點處；橡膠基片(5)的上方，對應於兩種電極條交叉點的位置設有突起(6)。
2、 根據權利要求1所述的可彎曲的有機小分子觸覺傳感器陣列，其特徵在於所述的 有機材料層為單層或多層有機共軛小分子半導體材料，或慘有摻雜物的有機共軛小分子半 導體材料，第一電極和第二電極為金屬，或者是導電性能良好的有機或無機半導體材料。
3、 根據權利要求1所述的可彎曲的有機小分子觸覺傳感器陣列，其特徵在於所述的 電極條的厚度為0.1 0.5微米，電極條的寬度為0.1-2毫米；同一種電極中，相鄰兩電極條 之間的距離為0.1~2毫米，兩種電極之間有機材料層的厚度為0.05~50微米，橫向尺寸為 0.1-2毫米；橡膠基片和可彎曲基片的厚度為0.2~2毫米；橡膠基片上的突起(6)的高度 為0.1-1毫米。
全文摘要
本發明屬於傳感器技術領域，具體是一種可彎曲的有機小分子觸覺傳感器陣列及其製備方法。該傳感器陣列的敏感材料採用有機共軛小分子半導體材料，其結構從下到上依次為可彎曲基片、第二電極、有機材料層、第一電極和橡膠基片。其中，第一電極和第二電極的電極條縱橫垂直交叉排列，和有機材料層構成傳感陣列。其製備可採用真空蒸鍍法或噴墨列印法。這種壓力傳感器陣列具有靈敏度高、體積小、重量輕、成本低，並且可以彎曲等特點，可適用於家用或醫用機器人手指的壓覺、觸覺傳感以及工業自動控制有關的壓力傳感器陣列上。
文檔編號G01L1/18GK101261167SQ20081003655
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月24日 優先權日2008年4月24日
發明者宇 劉, 佳 宋, 鍾高餘 申請人:復旦大學