[发明专利]一种超灵敏场效应型触觉传感器及其在微尺寸物体探测方面的应用

说明书

本发明公开了一种超灵敏场效应型触觉传感器的制备方法及其对微尺寸物体的探测。该超灵敏场效应型触觉传感器，包括衬底、栅极、绝缘层、半导体层(传感层)和源漏电极，其中，所述传感层为有机微纳单晶。本发明使用场效应晶体管中最为敏感的半导体层为传感层，再结合栅极的放大作用实现了微尺寸物体的质量探测，其探测最低值可达到纳克量级，同时也实现了对未接触物体的识别，包括接近的原子力探针针尖和人类手指。该触觉传感器具有超高的灵敏度和稳定性，且功耗较低。

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种超灵敏场效应型触觉传感器及其在微尺寸物体探测方面的应用。

背景技术

众所周知，皮肤是人类最大的感知器官，能够准确获知外界的压力、疼痛、温度以及其他复杂环境的刺激。近几年来，研究者们发现可以利用电学信号模拟人类皮肤的感知功能实现“电子皮肤”，这将对医疗、人工智能、可穿戴电子等领域产生革命性变化(Science2015，305，313；Advance Material 2015，27，6055；Advance Electronic Material 2015，1，1500142；Nature Communication 2014，5，4496)。例如，在人造假肢方面，使假肢具有像人一样的触觉功能(Nature Communication 2014，5，5747)；在人工智能机器人方面，帮助机器人准确获知周围环境信息，确保其安全性和使用性(Nature Communication 2015，6，8356)；在健康监测方面，实时跟踪脉搏、心率等指标以进行诊断与治疗(Advance Material2014，26，1336；Nature Communication 2014，5，3329)。然而，实现这些巨大应用前景的重要前提，是需要构筑超灵敏的触觉传感器，才能够使“电子皮肤”精确感知外界刺激。

在过去几十年的发展中，基于不同传导机制的触觉传感器已经得到了广泛的发展，包括压阻、电容和压电等类型。然而，之前报道的大多数触觉传感器只能感知宏观尺寸的物体，其质量在毫克的范围，例如可感知一只蚂蚁(10mg)或者一个花瓣(8mg)的放置和移除(Advance Material 2014，26，1336；Nature Communication 2014，5，3002)。尽管很多课题组致力于提升传感器的感知能力，使其具有更高的分辨力，但是由于缺少新颖的材料和合理的器件构型，仅有几种触觉传感器能够实现超低质量或压强的探测。其中一种可行的方法是将导电的碳纳米管混合到弹性体中将其构筑成图案化的结构，在外界刺激下通过接触电阻的变化实现触觉感知能力，并且其探测最低值降至0.2-0.6Pa(Acs Nano 2014，5，4689；Advance Material 2014，26，1336)。另一种可行的方法是将半导体传感材料设计成独特的微结构构型，如中空或分层结构，使其能够探测到一滴水的重量，探测限制达到0.1-0.8Pa(Advance Function Material 2015，25，2841；Nature Communication 2014，5，3002)。但是，由于受到弹性体和微结构构型的限制，使超灵敏触觉传感器的发展一直止步不前。直到最近，中国科学院化学研究所的朱道本院士课题组在这方面取得了突破性进展，他们基于聚酰亚胺(PI)衬底制备了一种悬浮栅电极的结构，即以空气为绝缘层的有机薄膜场效应晶体管。当器件受到微小压力或振动时，栅电极就会发生形变，进而导致绝缘层电容发生变化，实现了微小压力信号的探测，能够有效探测到0.3mg纸片的重量，这是目前报道的最灵敏的有机场效应型传感器的论文(Nature Communication 2015，6，6269)。另外，传统的触觉传感器只能感知接触的物体，这大大限制了其在安全预防和非侵入性医疗诊断中的实际应用。尽管接近传感器已经被用来探测非接触的物体，但是还没有任何报道是关于微尺寸物体的接近探测。因此，需要设计一种新的触觉传感器的制备方法，使其可以精确地感知微尺寸物体的接近和接触刺激。

发明内容

本发明的目的是提供一种超灵敏场效应型触觉传感器及其制备方法。其利用场效应晶体管中有机单晶作为传感层，使外界刺激直接作用在最为敏感的导电沟道上实现对微尺寸物体接近和接触刺激的探测。