專(zhuān)利名稱(chēng)：一種有機(jī)壓力傳感器及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體材料作為敏感材料的壓力傳感器及其使用方法。
背景技術(shù)：
目前比較常用的壓力傳感器有應(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(主要是硅)壓力傳感器等，也有摻石墨顆粒的導(dǎo)電橡膠壓力傳感器元件。這些元件大多體積比較大，重量大，壓力傳感元件無(wú)法進(jìn)一步小型化，不易形成微元件組成的大陣列，其剛性的器件結(jié)構(gòu)也使器件無(wú)法彎曲。不易形成“觸覺(jué)”的測(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)電性質(zhì)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。

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、使用方便的壓力傳感器及其使用方法。
本發(fā)明提出的壓力傳感器，其由陽(yáng)極、敏感材料和陰極依次組合構(gòu)成，其中敏感材料采用有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體材料(簡(jiǎn)稱(chēng)有機(jī)小分子材料)，例如常用于有機(jī)發(fā)光器件制備的有機(jī)材料Alq，BCP，NPB等等。這些有機(jī)小分子材料的克分子量一般為數(shù)百(如400-1000)，最大不超過(guò)一萬(wàn)。在有機(jī)小分子內(nèi)存在共軛的大π鍵是該有機(jī)小分子材料的主要特點(diǎn)。這些有機(jī)小分子材料也包括含有有機(jī)小分子的摻雜物材料，有機(jī)小分子與高分子材料的摻雜物，以及有機(jī)小分子與富勒烯(碳納米球)的摻雜物。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、氣體或液體壓力的測(cè)量、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)明是以上述有機(jī)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)壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，有兩種基本結(jié)構(gòu)(A)為被測(cè)壓力方向與電場(chǎng)方向平行的傳感器，(B)為被測(cè)壓力方向與電場(chǎng)方向垂直的傳感器?；窘Y(jié)構(gòu)為電極/有機(jī)材料/電極，其中有機(jī)材料主要是指單層或多層有機(jī)小分子材料，也包含摻有機(jī)小分子材料的摻雜材料，如有機(jī)小分子材料之間的摻雜物，有機(jī)小分子材料和高分子的摻雜物，有機(jī)小分子材料與富勒烯(碳納米球)的摻雜物。電極為金屬(如Al，Au，Cu，Ag等)，或者導(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。電極之間的有機(jī)材料的厚度，即縱向尺寸，通常為0.05~50微米，橫向尺寸通常為0.1~10毫米范圍附近。其測(cè)量原理主要是通過(guò)測(cè)量有機(jī)材料在縱向或者橫向的(即外加壓強(qiáng)平行或垂直于外加電場(chǎng)方向)壓力下，導(dǎo)電性能隨壓力大小變化的關(guān)系。
有機(jī)壓力傳感器的制備方法如下主要有以下三種一是真空蒸鍍的方法。電極按常規(guī)方法制備，用真空蒸鍍制備電極中間的有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體膜層，蒸鍍過(guò)程中保持真空腔體的真空度高于10-4帕，蒸發(fā)速率在0.05~1nm/Sec范圍內(nèi)。
二是溶液旋涂的方法。這一方法通常是用于含有高分子材料和有機(jī)小分子材料摻雜的薄膜的制備，控制材料的溶液濃度在1~10mg/ml的范圍，旋轉(zhuǎn)速率在1000~6000rpm之間。制備過(guò)程中應(yīng)盡量避免引入各種污染。
三是噴墨打印的方法?？刂撇牧系娜芤簼舛仍?~10mg/ml的范圍內(nèi)，所使用的噴墨打印技術(shù)可以借鑒或使用現(xiàn)有的噴墨打印技術(shù)。使用該方法也要盡量避免各種污染的引入。
這里，絕緣基片可以是可彎曲的材料，電極可以是ITO、金屬薄膜或金屬絲，封裝材料可以是膜材或膠體。
有機(jī)壓力傳感器元件或陣列的使用方法如下有機(jī)小分子材料壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是器件的靈敏度很高，易于實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的輕便化、小型化和陣列化。配合可彎曲的有機(jī)三極管測(cè)量電路，可以制備可彎曲的高靈敏壓力傳感器陣列，這在機(jī)器人和醫(yī)療機(jī)械上有應(yīng)用前景。
具體的測(cè)量方法和參數(shù)如下對(duì)于單個(gè)元件而言，測(cè)試時(shí)外加壓力應(yīng)在1~50KPa的范圍內(nèi)為宜，在有機(jī)材料層上的外加電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)在(1~50)×106V/m為宜。使用時(shí)可以測(cè)量恒定電壓下通過(guò)該器件的電流大小，也可以測(cè)量恒定電壓下通過(guò)器件的電流在給定電阻上產(chǎn)生的電壓降。對(duì)于有機(jī)傳感器陣列，所有元件可以共用一個(gè)陰極或陽(yáng)極，也可以各自以獨(dú)立的陰極和陽(yáng)極進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中，可以使用常規(guī)的行列掃描方法對(duì)由傳感器元件所組成的陣列進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)元件的掃描時(shí)間應(yīng)在1~500毫秒范圍內(nèi)為宜；也可以把這些元器件制作在有機(jī)晶體管(OTFT)或者無(wú)機(jī)晶體管(TFT)電路構(gòu)成測(cè)試電路板上。如果是制作在可彎曲的有機(jī)晶體管(OTFT)測(cè)試電路上，將可以制備可彎曲的有機(jī)壓力傳感器陣列。
有機(jī)壓力傳感器的封裝方法如下在制備好有機(jī)壓力傳感器及其陣列以后，需要對(duì)元件或陣列進(jìn)行封裝。封裝的材料是塑料或橡膠薄膜(厚度在1~100微米范圍內(nèi))，在氧和水含量小于1ppm的高純氮?dú)猸h(huán)境下，通過(guò)紫外光照固化環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)隔絕氧氣和水汽，從而達(dá)到封裝效果的。


圖1為本發(fā)明的傳感器基本結(jié)構(gòu)示意圖。其中(A)為被測(cè)壓力方向與電場(chǎng)方向平行的傳感器，(B)為被測(cè)壓力方向與電場(chǎng)方向垂直的傳感器。
圖2為本發(fā)明的有機(jī)壓力傳感器的實(shí)施圖示。其中(A)為結(jié)構(gòu)一，(B)為結(jié)構(gòu)二，(C)為結(jié)構(gòu)三，(D)為結(jié)構(gòu)四，圖3為ITO/Alq(70nm)/Al(140nm)器件在0.1V電壓下電流隨時(shí)間的變化。每次電流的明顯增加對(duì)應(yīng)著一次手工施加壓力的過(guò)程，施加的壓力為100克砝碼的重力(壓強(qiáng)為16KPa)。
圖4為一種有機(jī)壓力傳感器ITO/Alq(60nm)/Al(160nm)在5伏工作電壓下壓力隨時(shí)間變化的電流。當(dāng)外加壓強(qiáng)分別為8.1，16，32，81KPa時(shí)的電流有顯著的增加。增加幅度隨所受壓力的壓強(qiáng)增大而增大。
圖中標(biāo)號(hào)1絕緣基底或基片(可以是可彎曲的)；2電極(ITO，金屬薄膜或金屬細(xì)絲)；3有機(jī)小分子半導(dǎo)體材料；4絕緣封裝膜或封裝膠。
具體實(shí)施例方式
施加在有機(jī)壓力傳感器上的外加壓力可以平行于外電場(chǎng)方向，也可以垂直于外電場(chǎng)方向。根據(jù)這一點(diǎn)，我們可以設(shè)計(jì)如圖2所示的四種有機(jī)壓力傳感器元件或陣列的典型結(jié)構(gòu)。
其中器件的具體結(jié)構(gòu)一(圖2(A))為在絕緣基片上制備兩個(gè)電極(一個(gè)陽(yáng)極，一個(gè)陰極)，在兩電極間制備有機(jī)薄膜，然后進(jìn)行封裝，在頂部的封裝材料上施加壓力，測(cè)試兩電極間的壓阻特性，各部分尺寸大小與器件基本結(jié)構(gòu)中所述參數(shù)一致。器件的具體結(jié)構(gòu)二(圖2(B))為兩個(gè)電極(陽(yáng)極和陰極)被埋入絕緣材料上的柱狀體中，電極一端在柱狀體頭部露出，柱狀體頭部再填充有機(jī)小分子半導(dǎo)體材料，然后封裝，在封裝層外施加壓力，測(cè)試兩電極間的壓阻特性即可。器件的具體結(jié)構(gòu)三(圖2(C))為絕緣柱狀體中心有一個(gè)電極，該電極一端凹進(jìn)絕緣柱狀體中并露出導(dǎo)電部分，在凹進(jìn)處填充有機(jī)半導(dǎo)體材料，以金屬薄膜封裝并作為另一電極，測(cè)試兩電極間的壓阻特性。器件的具體結(jié)構(gòu)四(圖2(D))為一種有機(jī)壓力傳感元件陣列，在絕緣基底內(nèi)埋入多個(gè)平行的電極，一端露出導(dǎo)電部分，并填充有機(jī)半導(dǎo)體材料，然后覆蓋一層金屬作為各器件共用的另一電極，頂部和側(cè)面為封裝材料4。測(cè)試各元件的壓阻特性即可。以上各結(jié)構(gòu)器件的各部分尺寸大小與基本結(jié)構(gòu)器件中所述參數(shù)一致。
實(shí)施例1，如圖1所示，用真空蒸鍍法在以玻璃為基片的ITO電極上蒸鍍70納米厚的有機(jī)小分子材料Alq，再蒸鍍140納米厚的鋁電極(如圖2(A))，以ITO為陽(yáng)極，鋁為陰極，加上0.1V的直流電壓，利用一個(gè)100克的砝碼作為外加壓力，器件面積大小為3×4毫米，利用0.88×0.69厘米大小的硅片并覆蓋0.1毫米厚的橡膠作為均勻施加壓力的介質(zhì)，測(cè)量了通過(guò)該器件的電流隨時(shí)間的變化，施加壓力的過(guò)程是手工進(jìn)行的，持續(xù)時(shí)間約為0.2秒，最長(zhǎng)不超過(guò)0.8秒?？梢缘玫饺鐖D3所示的電流隨時(shí)間的變化關(guān)系，可以看出器件的靈敏度非常高，電流大小有3~5個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。
實(shí)施例2，如圖2(A)所示，有機(jī)壓力傳感器的結(jié)構(gòu)為ITO/Alq(60nm)/Al(160nm)，在固定電壓(5V)下隨時(shí)間變化的電流。在某些時(shí)刻加上如圖中所標(biāo)的壓強(qiáng)后電流有顯著的增加。通過(guò)改變制備以及測(cè)試的方法和條件，改變器件的結(jié)構(gòu)和材料等，器件的性能還可以進(jìn)一步優(yōu)化。
實(shí)施例3，如圖2(B)所示，在ITO玻璃上腐蝕一個(gè)溝道，溝道寬度控制在0.1~10微米之間，蒸鍍一層厚度為500nm的有機(jī)薄膜Alq，用拋光硅片覆蓋該薄膜并在其上施加壓力，可測(cè)試得到兩電極間具有明顯的壓阻特性。
實(shí)施例4，如圖2(D)所示，取10段金屬漆包線(xiàn)，聚成一束導(dǎo)線(xiàn)，相互間距離很近但互相絕緣。將該束導(dǎo)線(xiàn)埋入一團(tuán)硅膠中并逐漸固化在里面，精細(xì)加工其中一端，使該端平整并有金屬導(dǎo)體絲的一端露出；蒸鍍一層0.3微米的Alq材料，再蒸鍍一層Al電極，可以測(cè)試得到兩根相鄰的導(dǎo)線(xiàn)間，以及單根導(dǎo)線(xiàn)與金屬Al電極之間具有明顯的隨Al電極上外加壓力變化的壓阻特性。
實(shí)施例5，如圖2(C)所示，將外面有塑料蒙皮、里面有單根金屬細(xì)絲的導(dǎo)線(xiàn)一端先加工平整，然后使金屬細(xì)絲一端凹入塑料蒙皮中，再蒸鍍有機(jī)材料Alq 0.2微米，然后蒸鍍金屬電極Al，測(cè)量得到金屬電極Al與金屬絲之間具有明顯的壓阻效應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種有機(jī)壓力傳感器，由陽(yáng)極、敏感材料和陰極依次組合構(gòu)成，其特征在于所述敏感材料采用有機(jī)材料，該有機(jī)材料為有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體材料，或者為含有共軛有機(jī)小分子半導(dǎo)體材料的摻雜物，或者為有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體材料和高分子材料的摻雜物，或者為有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體材料與富勒烯的摻雜物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)壓力傳感器，其特征在于所述有機(jī)材料為Alq，BCP或NPB。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)壓力傳感器，其特征在于所述有機(jī)材料的厚度為0.05-50微米，橫向尺寸為0.1-10毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)壓力傳感器，其特征在于為如下結(jié)構(gòu)之一種(1)在絕緣基片(1)上制備兩個(gè)電極(2)，兩個(gè)電極中間為有機(jī)材料(3)，上面為封裝材料(4)；(2)兩個(gè)電極(2)埋入絕緣基片(1)中的柱狀體中，電極(2)的一端露出柱狀體頭部，柱狀體頭部為有機(jī)材料(3)，頂部為封裝材料(4)；(3)在絕緣基片(1)的中心部位為柱狀體，一個(gè)電極(2)設(shè)置于柱狀體中，在端部柱狀體的凹進(jìn)部分露出導(dǎo)電部分，凹進(jìn)處填充有機(jī)材料(3)，由金屬薄膜封裝作為另一電極；(4)在絕緣基片(1)中埋入多個(gè)平行電極(2)，平行電極(2)的一端露出導(dǎo)電部分，并填充有機(jī)材料(3)，在有機(jī)材料(3)上覆蓋一層金屬材料作為共用的另一電極(2)，頂部和側(cè)面為封裝材料(4)。
5.一種如權(quán)利要求1所述有機(jī)壓力傳感器的使用方法，其特征在于對(duì)于單個(gè)器件；測(cè)試時(shí)外加壓力為1-50KPa，有機(jī)材料層上外加電場(chǎng)強(qiáng)度為(1-50)×106V/m；測(cè)量恒定電壓下通過(guò)該器件的電流大小，或者測(cè)量恒定電壓下通過(guò)器件的電流對(duì)給定電阻產(chǎn)生的電壓降；對(duì)于有機(jī)傳感器陣列，所有器件共用一個(gè)陰極或陽(yáng)極，或者以各自獨(dú)立的陰極或陽(yáng)極進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量過(guò)程中，使用常規(guī)的行列掃描方法對(duì)由傳感器元件組成的陣列進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)元件掃描時(shí)間為1-500毫秒，或者把這些傳感器元件制作在有機(jī)晶體管或者無(wú)機(jī)晶體管電路構(gòu)成的測(cè)試電路板上，進(jìn)行測(cè)試。
全文摘要
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種有機(jī)壓力傳感器及其使用方法。該傳感器的敏感材料采用有機(jī)材料，包括有機(jī)共軛小分子半導(dǎo)體材料和該小分子材料的摻雜物等。這種壓力傳感器非常靈敏、體積小、重量輕、成本低，特別適合制備可彎曲的壓力傳感器陣列。本發(fā)明可用于機(jī)器人的壓覺(jué)、觸覺(jué)傳感以及工業(yè)自動(dòng)控制有關(guān)的壓力傳感器及其陣列上，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號(hào)G01L1/20GK101071085SQ200710042328
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
發(fā)明者鐘高余, 趙清, 劉宇, 宋佳 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)