專利名稱：一種可彎曲的有機(jī)小分子觸覺(jué)傳感器陣列及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及可彎曲的有機(jī)小分子壓力傳感器陣列及其制備 方法。
技術(shù)背景目前比較常用的觸覺(jué)或壓力傳感器有應(yīng)變片壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、擴(kuò)散硅壓 力傳感器、壓電壓力傳感器，以及半導(dǎo)體(如非晶硅、多晶硅等)壓力傳感器，也有摻碳 黑的導(dǎo)電橡膠壓力傳感器，或者含碳納米管的、微機(jī)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(jué)"測(cè)量條件。有機(jī)半導(dǎo)體特別是有機(jī)小分子之間，通常是以范德華力結(jié)合在一起的，大多是非常疏 松的無(wú)定形結(jié)構(gòu)，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， 壓縮后其導(dǎo)電性能也因此而改變，并且在壓力不是很大、溫度不是很高的情況下撤去壓力 后可以恢復(fù)原來(lái)的電學(xué)特性。這就是有機(jī)半導(dǎo)體和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的顯著不同之處。這一特性 使有機(jī)半導(dǎo)體具有優(yōu)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(jié)合起來(lái)，就可以制備出可彎曲的，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(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種靈敏度高、體積小、重量輕、成本低、使用方便的可彎曲 壓力傳感器。本發(fā)明提出的壓力傳感器所用的敏感材料是有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體材料，例如常用于 有機(jī)發(fā)光器件制備的有機(jī)材料八羥基喹啉鋁(tris2(82hydroxyquinoline) aluminum, Alq)、2,9-二甲基-4，7-聯(lián)苯-l，10-鄰二氮雜菲(bathocuproine， BCP)、凡>^-二苯基^^-二(2-萘基)-1，1-聯(lián)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(shù)百，最大不超過(guò)一萬(wàn)，在該有機(jī)小分子內(nèi)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(jī)小分子的摻雜物，如共軛有機(jī)小分子與高分 子材料的摻雜物，共軛有機(jī)小分子與富勒烯(碳納米球)的摻雜物等。這種有機(jī)小分子壓 力傳感器或其陣列可以用于機(jī)器人的觸覺(jué)傳感設(shè)備、智能控制等多種工業(yè)自控環(huán)境，涉及 機(jī)器人、醫(yī)療器械、水利水電、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。本發(fā)明即是以上述有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)，通過(guò)壓縮該物質(zhì)后測(cè)量 其電學(xué)特性的變化，即可感知在該物質(zhì)上所加的壓強(qiáng)，從而使器件對(duì)外界壓力敏感。本發(fā)明提出的有機(jī)小分子壓力傳感器的結(jié)構(gòu)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(jī)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(jié)構(gòu)中，可彎曲基片l可采用聚酰亞胺材料。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(jī)材料(即敏感材料)層為點(diǎn)狀，位于第一電極4和第二電極2的電極條的 交叉點(diǎn)處。橡膠基片5的上方，對(duì)應(yīng)于兩種電極條交叉點(diǎn)的位置設(shè)有突起6。由此可見(jiàn)，本發(fā)明的傳感器的基本結(jié)構(gòu)為電極/有機(jī)材料/電極，其中有機(jī)材料層主要 是指單層或多層有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體材料，也包括摻有摻雜物的有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體 材料，如有機(jī)小分子之間的摻雜物，有機(jī)小分子和高分子的摻雜物，以及有機(jī)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(dǎo)電性能良好的有機(jī)或無(wú)機(jī)半導(dǎo)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(jī)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(fā)明的觸(壓)覺(jué)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(jié)構(gòu)6， 該突起的高度為0.1-1毫米。橡膠基片上用于生長(zhǎng)第一電極和有機(jī)材料層的凹坑深度為 0.2~100微米，盡量使凹坑深度剛好等于電極一和有機(jī)材料層的厚度之和。本發(fā)明的觸覺(jué) 傳感器原理主要是通過(guò)橡膠基片上的突起傳遞外加壓力到有機(jī)材料上，使有機(jī)材料被壓縮 后發(fā)生電阻的改變，從而通過(guò)測(cè)量這一電阻值的變化來(lái)感知外加壓力的大小本發(fā)明提出的可彎曲有機(jī)小分子觸覺(jué)傳感器的制備方法如下一是真空蒸鍍的方法。在制備好的橡膠基片5上，通過(guò)掩膜在凹坑中依次蒸鍍第一電 極和有機(jī)材料層。蒸鍍過(guò)程中保持真空腔體的真空度高于10^帕，蒸發(fā)速率在0.05 lnm/Sec 范圍內(nèi)。然后在可彎曲基片1上的凹坑中蒸鍍第二電極，或者使用已經(jīng)制好第二電極的可 彎曲基片。把制好的第一電極和有機(jī)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、氧含量低于lppm的氮?dú)饣驓鍤?中進(jìn)行疊合或粘合，用環(huán)氧樹(shù) 脂在周圍密封封裝好，并露出電極用于連接外電路。二是噴墨打印的方法。把有機(jī)材料溶解在溶劑中，使有機(jī)材料溶液的濃度在1~10 mg/ml的范圍內(nèi)，使用噴墨打印技術(shù)(可以借鑒或使用現(xiàn)有的噴墨打印技術(shù))打印有機(jī)材料層。使用該方法要盡量避免各種污染的引入。兩個(gè)電極可以用上述真空蒸鍍或其它方法 制備。與上述方法同樣疊合二基片并封裝好。有機(jī)小分子觸覺(jué)傳感器陣列的使用方法如下在兩電極間加上電壓，測(cè)試電流的大小。所加電壓的方式有以下三種 一是方波電 脈沖；二是恒電壓；三是臺(tái)階狀的電壓。這三種加電壓的方式各有功能。方波電脈沖的功 能主要在于定量測(cè)試壓力信號(hào)的大小。方波的高電平視電場(chǎng)大小(一般是(l 50)Xl(^V/m) 的需要，大致位于0.1-10 V的范圍。低電平一般在OV附近?？梢詫?duì)相同電壓下電流的大 小進(jìn)行處理，大致分析得到外加壓力的大小。恒電壓可以用于監(jiān)控外加壓力的突然變化。 而臺(tái)階狀電壓可以用于選擇并優(yōu)化工作電壓的大小。


圖1為有機(jī)小分子觸覺(jué)(壓力)傳感器的結(jié)構(gòu)單元圖示。圖2為橡膠基片及在該基片上通過(guò)真空蒸鍍等方法生長(zhǎng)的第一電極和有機(jī)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(guò)真空蒸鍍等方法生長(zhǎng)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(gè)觸覺(jué)傳感器陣列的結(jié)構(gòu)圖示。其中(a)為正視圖，(b) 為頂視圖。圖中標(biāo)號(hào)l為可彎曲基片，2為第二電極，3為有機(jī)材料層，4為第一電極，5為橡 膠基片，6為突起。
具體實(shí)施方式
取沉積好ITO薄膜的聚酰亞胺基片，作為第二電極(陽(yáng)極)的ITO的條紋寬度為 0.5 mm。通過(guò)真空蒸鍍制備厚度為100 nm的Alq薄膜，每個(gè)Alq點(diǎn)為直徑0.707 mm的圓， 然后在Alq上蒸鍍寬度為0.5 mm的Al金屬條紋，形成第一電極(陰極)，這樣就制備出 單位尺寸為lXlmi^的傳感器點(diǎn)陣，形成20X40的壓力傳感器陣列。在制備好的壓力傳 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，并把突起與壓力單元進(jìn) 行對(duì)準(zhǔn)，然后用環(huán)氧樹(shù)脂以及紫外或加熱的方法對(duì)器件進(jìn)行封裝。封裝過(guò)程在無(wú)水無(wú)氧的 高純惰性環(huán)境下進(jìn)行。封裝好以后，把壓力傳感器陣列接上特制的外接分析電路，即可以 進(jìn)行壓力的測(cè)試。
權(quán)利要求
1. 一種可彎曲的有機(jī)小分子觸覺(jué)傳感器陣列，其特征在于其結(jié)構(gòu)從下往上依次為可彎曲基片(1)、第二電極(2)、有機(jī)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(jié)構(gòu)中，可彎曲基片(1)采用聚酰亞胺材料；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(jī)材料層為點(diǎn)狀，位于第一電極(4)和第二電極(2)的電極條的交叉點(diǎn)處；橡膠基片(5)的上方，對(duì)應(yīng)于兩種電極條交叉點(diǎn)的位置設(shè)有突起(6)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可彎曲的有機(jī)小分子觸覺(jué)傳感器陣列，其特征在于所述的 有機(jī)材料層為單層或多層有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體材料，或慘有摻雜物的有機(jī)共軛小分子半 導(dǎo)體材料，第一電極和第二電極為金屬，或者是導(dǎo)電性能良好的有機(jī)或無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可彎曲的有機(jī)小分子觸覺(jué)傳感器陣列，其特征在于所述的 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(jī)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(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種可彎曲的有機(jī)小分子觸覺(jué)傳感器陣列及其制備方法。該傳感器陣列的敏感材料采用有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體材料，其結(jié)構(gòu)從下到上依次為可彎曲基片、第二電極、有機(jī)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(jī)材料層構(gòu)成傳感陣列。其制備可采用真空蒸鍍法或噴墨打印法。這種壓力傳感器陣列具有靈敏度高、體積小、重量輕、成本低，并且可以彎曲等特點(diǎn)，可適用于家用或醫(yī)用機(jī)器人手指的壓覺(jué)、觸覺(jué)傳感以及工業(yè)自動(dòng)控制有關(guān)的壓力傳感器陣列上。
文檔編號(hào)G01L1/18GK101261167SQ20081003655
公開(kāi)日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者宇 劉, 佳 宋, 鐘高余 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)