一种基于有机电化学晶体管的温度传感器及其制备方法技术

一种基于有机电化学晶体管的温度传感器及其制备方法，温度传感器包括衬底，以及设置在所述衬底之上的源极和漏极，在所述源极和所述漏极之上涂覆有PEDOT:PSS有机半导体薄膜层作为沟道，所述PEDOT:PSS有机半导体薄膜层之上设置有电解质，所述电解质与栅极接触。温度传感器的制备方法包括：制备PEDOT:PSS混合溶液；将衬底清洁干净，进行表面涂布预处理，再在衬底表面制备源极和漏极；将PEDOT:PSS混合溶液旋涂在源极和漏极的表面，得到有机半导体薄膜层沟道；在有机半导体薄膜层沟道上滴加电解质，将栅极与电解质相接触，得到基于有机电化学晶体管的温度传感器。本发明专利技术能够实现体温的实时精确监测。实时精确监测。实时精确监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有机电化学晶体管的温度传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于生物化学传感器
，具体涉及一种基于有机电化学晶体管的温度传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]在众多与人体健康相关的身体指标中，体温是许多疾病的首发症状，临床上许多疾病的诊治都依赖于体温的监测，通过体温的异常变化及时发现疾病，早发现早诊治，可以极大地降低致死致残的风险。目前临床使用的水银体温计只能进行瞬时体温监测，易导致错失最佳诊疗时间，引发高致死率和致残率，因此体温监测意义重大，对可实时精确监测的体温传感器的需求十分迫切。
[0003]近年来，用于体温监测的柔性可穿戴传感器获得了研究者的广泛关注。Chen等(Sci.Rep.,2015,5:11505)将体温敏感的金属薄膜(Au和Cr)转印到多孔结构的半透膜基底上制得超柔性体温传感器，其具有优良的透气性、防水性和生物相容性，可用于腋下体温的全天候测量，电阻体温系数(temperature coefficient of resistance,TCR)为0.278％
°
/C，可以精确测量流动的空气和水滴引起的皮肤表面体温变化。Lin等(Adv.Mater.,2021,2107309)以羧基丁苯橡胶(XSBR)和亲水性丝胶(SS)非共价键修饰碳纳米管(CNTs)为基础，合理设计了氢键交联网络，并将其制成热阻式体温传感器，其具有0.071S/m的电导率，TCR可达1.636％/℃。目前的体温传感器大多为基于Au、AgNW、CNTs等热敏材料的电阻式传感器，具有高电阻灵敏度(当前已报道研究中TCR高达9.2％/℃)，满足监测微小体温的需求，但是器件大多仅有几十微安甚至是纳安级电流(10
‑9～10
‑5A)，电流灵敏度较低(当前已报道研究中最高值仅为7.14μA/℃)，需要复杂电路和大型精密仪器进行监测，不利于未来的可穿戴应用，同时，电阻与体温之间的非线性关系，使其高温区间灵敏度较低，检测范围小。因此，提高电流和线性度对体温传感器的研究至关重要，亟需开发新的传感机制。
[0004]以PEDOT:PSS为典型材料的有机电化学晶体管(organic electrochemical transistors,OECT)是一种离子穿透半导体并调制晶体管沟道电特性的离子电子器件，属于电解质栅控晶体管的一类，于1984年由Wrighton及其合作者共同专利技术。由于具有结构简单、高电子/离子导电率、较好的生物相容性、水环境下稳定工作、易于与柔性基底结合等优势，被广泛用于生物传感器的研究，比如离子检测、代谢物检测、病原体检测以及电生理信号监测等。有机电化学晶体管的源漏电流与有效栅压及温度之间具有良好的线性度，且在低工作电压下即可以输出毫安级电流(10
‑3A)，具有同时实现高灵敏度、大电流和良好线性关系体温传感器的潜力，现在尚未有基于有机电化学晶体管的温度传感器研究，这一领域仍有待开拓。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于有机电化学晶体管的温度传感器及其制备方法，通过测试电流的变化来实现人体体温的实时精确监测，具有
灵敏度高、线性关系良好、测试简单、响应速度快、性能稳定等众多优异性能。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术有如下的技术方案：
[0007]一种基于有机电化学晶体管的温度传感器，包括衬底，以及设置在所述衬底之上的源极和漏极，在所述源极和所述漏极之上涂覆有PEDOT:PSS有机半导体薄膜层作为沟道，所述PEDOT:PSS有机半导体薄膜层之上设置有电解质，所述电解质与栅极接触。
[0008]作为一种优选方案，所述衬底由玻璃、聚合物柔性材料或硅片制成。
[0009]作为一种优选方案，所述源极和漏极的制备电极包括Au电极或Pt电极。
[0010]作为一种优选方案，所述电解质采用10
‑4M～10
‑1M的NaCl水溶液。
[0011]作为一种优选方案，所述栅极的制备电极包括Ag/AgCl电极、Au电极或Pt电极。
[0012]作为一种优选方案，所述漏极的长度为3mm～5mm，宽度为1mm～2mm，厚度为50nm～100nm；所述源极的长度为3mm～5mm，宽度为1mm～2mm，厚度为50nm～100nm；所述PEDOT:PSS有机半导体薄膜层的长度为0.1mm～1mm，宽度为3mm～5mm，厚度为300nm～600nm。
[0013]作为一种优选方案，漏极电流I
DS
按照下式进行计算：
[0014][0015]式中，W为沟道宽度，即PEDOT:PSS有机半导体薄膜层宽度；L为沟道长度，即PEDOT:PSS有机半导体薄膜层长度；d为PEDOT:PSS有机半导体薄膜层厚度；μ为空穴迁移率；C*为体积电容；V
P
为夹断电压；为有效栅极电压；V
DS
为源漏电压；
[0016][0017][0018]式中，C
G
为栅极电容，C
C
为沟道电容，V
G
为栅极电压，为初始溶液电势，γ为电容比例系数；
[0019]引入溶液中的氧化还原反应及沟道中PSS阴离子带来的电场屏蔽效应进行溶液电势修正，溶液电势表达式修正为：
[0020][0021]式中，为修正溶液电势，k
B
为玻尔兹曼常数，T为温度，q为基本电荷，c为电解质浓度，z为反应过程中转移的电子数，N
PSS
为PSS阴离子浓度；
[0022]有效栅极电压按照下式计算：
[0023][0024][0025]沟道电流随有效栅极电压的变化按下式进行计算：
[0026][0027][0028]式中，g
m
为跨导；
[0029]通过调控阳离子价态z、电解质浓度c、PSS阴离子浓度N
PSS
和与电容比例系数γ实现灵敏度调节。
[0030]一种所述基于有机电化学晶体管的温度传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0031]将PEDOT:PSS水溶液与乙二醇、3
‑
环氧丙基三甲氧基硅烷以及十二烷基苯磺酸混合，搅拌均匀，得到PEDOT:PSS混合溶液；
[0032]将衬底清洁干净，进行表面涂布预处理，再在衬底表面制备源极和漏极；
[0033]将PEDOT:PSS混合溶液旋涂在源极和漏极的表面，得到有机半导体薄膜层沟道；
[0034]在有机半导体薄膜层沟道上滴加电解质，将栅极与电解质相接触，得到基于有机电化学晶体管的温度传感器。
[0035]作为一种优选方案，所述将PEDOT:PSS水溶液与乙二醇、3
‑
环氧丙基三甲氧基硅烷以及十二烷基苯磺酸混合的步骤中，所述乙二醇、3
‑
环氧丙基三甲氧基硅烷、十二烷基苯磺酸分别占PEDOT:PSS水溶液的体积比为5％、4％和0.1％。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有机电化学晶体管的温度传感器，其特征在于：包括衬底，以及设置在所述衬底之上的源极和漏极，在所述源极和所述漏极之上涂覆有PEDOT:PSS有机半导体薄膜层作为沟道，所述PEDOT:PSS有机半导体薄膜层之上设置有电解质，所述电解质与栅极接触。2.根据权利要求1所述基于有机电化学晶体管的温度传感器，其特征在于：所述衬底由玻璃、聚合物柔性材料或硅片制成。3.根据权利要求1所述基于有机电化学晶体管的温度传感器，其特征在于：所述源极和漏极的制备电极包括Au电极或Pt电极。4.根据权利要求1所述基于有机电化学晶体管的温度传感器，其特征在于：所述电解质采用10
‑4M～10
‑1M的NaCl水溶液。5.根据权利要求1所述基于有机电化学晶体管的温度传感器，其特征在于：所述栅极的制备电极包括Ag/AgCl电极、Au电极或Pt电极。6.根据权利要求1所述基于有机电化学晶体管的温度传感器，其特征在于：所述漏极的长度为3mm～5mm，宽度为1mm～2mm，厚度为50nm～100nm；所述源极的长度为3mm～5mm，宽度为1mm～2mm，厚度为50nm～100nm；所述PEDOT:PSS有机半导体薄膜层的长度为0.1mm～1mm，宽度为3mm～5mm，厚度为300nm～600nm。7.根据权利要求1所述基于有机电化学晶体管的温度传感器，其特征在于，漏极电流I
DS
按照下式进行计算：式中，W为沟道宽度，即PEDOT:PSS有机半导体薄膜层宽度；L为沟道长度，即PEDOT:PSS有机半导体薄膜层长度；d为PEDOT:PSS有机半导体薄膜层厚度；μ为空穴迁移率；C*为体积电容；V
P
为夹断电压；为有效栅极电压；V
DS
为源漏电压；为源漏电压；式中，C
G
为栅极电容，C
C
为沟道电容，V
G
为栅极电压，为初始溶液电势，γ为电容比例系数；引入溶液中的氧化还原反应及沟道中PSS阴离子带来的电场屏蔽效应进行溶液电势修正，溶液电势表达式修正为...

【专利技术属性】
技术研发人员：马伟，宣子怡，赵超，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：