在可穿戴健康監(jiān)測(cè)、軟體機(jī)器人和電子皮膚等應(yīng)用中，柔性可拉伸的電子器件與剛性器件相比具有許多優(yōu)勢(shì)。與穿戴表面親密接觸的能力可以提高可穿戴設(shè)備的傳感能力和舒適度。柔性壓力傳感器是可穿戴電子設(shè)備和觸覺(jué)接口的關(guān)鍵技術(shù)。壓敏晶體管的制造提供了將傳感和矩陣讀出特性結(jié)合起來(lái)的機(jī)會(huì)。然而，通常需要在壓力敏感性、制造復(fù)雜性和機(jī)械彈性方面進(jìn)行權(quán)衡。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，北卡羅萊納州立大學(xué)（North Carolina State University）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于全溶液處理的受剪紙藝術(shù)（Kirigami）啟發(fā)的基于可拉伸有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）的壓力傳感器陣列。OTFT集成了幾種新穎的加工和設(shè)計(jì)策略，包括部分嵌入聚酰亞胺（PI）基質(zhì)中的電流體動(dòng)力學(xué)（EHD）噴墨打印的銀（Ag）納米線（NW）電極。EHD打印提供了精細(xì)的圖案控制，NW/PI復(fù)合材料提高了機(jī)械穩(wěn)定性。通過(guò)呼吸圖法制造的多孔苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）柵極電介質(zhì)，使OTFT具有壓敏性。控制孔隙密度以實(shí)現(xiàn)可調(diào)的壓力靈敏度。OTFT在小彎曲半徑（1 mm）下仍能保持性能，并且可感測(cè)0.75至25 kPa的施加壓力。最后，在襯底中引入切割圖案，在保持壓力傳感器功能的同時(shí)賦予可拉伸性。這項(xiàng)工作中介紹的設(shè)計(jì)特征和處理方法的結(jié)合，使機(jī)械彈性可拉伸壓力傳感器的開(kāi)發(fā)成為可能。

在本項(xiàng)研究工作中，OTFT的制造工藝從EHD在玻璃基板上打印Ag NW開(kāi)始。然后，將沉積的Ag NW浸泡在去離子水（DI）中以去除油墨中用于改善印刷和提高導(dǎo)電性的聚環(huán)氧乙烷（PEO）。經(jīng)過(guò)漂洗后，將PI旋涂在玻璃上，以獲得約5 μm厚的Ag NW/PI復(fù)合材料。之后，將Ag NW/PI復(fù)合材料從玻璃基板上剝離，得到光滑的頂表面，Ag NW部分暴露在表面上，從而與相鄰層產(chǎn)生低接觸電阻。隨后制造底部柵極和頂部接觸，首先在聚二甲基硅氧烷（PDMS）支撐物上層壓Ag NW/PI復(fù)合柵電極，然后將SEBS電介質(zhì)層旋涂在涂有聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）的玻璃襯底上，隨后將其層壓在Ag NW/PI復(fù)合材料上，并將疊層浸入水中。在PSS溶解后，SEBS電介質(zhì)層被轉(zhuǎn)移到Ag NW/PI襯底上，進(jìn)一步將該復(fù)合物從水中取出并干燥。最后，源極/漏極采用與柵極復(fù)合材料相同的方法進(jìn)行處理，并將其層壓在半導(dǎo)體薄膜上以完成OTFT的制造。

OTFT制造工藝

研究人員在OTFT陣列的襯底中引入了一種受Kirigami啟發(fā)的切割圖案。該切割圖案允許襯底在施加的應(yīng)變下拉伸，同時(shí)使OTFT和電引線上的局部應(yīng)變最小化。因此，與固有可拉伸晶體管相比，將Kirigami圖案應(yīng)用于OTFT有利于減少遷移率和大應(yīng)變下的電流-電壓特性變化。

Kirigami圖案化的可拉伸OTFT

OTFT由于包含多孔SEBS電介質(zhì)層而具有壓力傳感能力。孔隙密度可以通過(guò)控制呼吸圖法中使用的處理時(shí)間或濕度來(lái)調(diào)節(jié)。低密度可以有效地調(diào)節(jié)OTFT的壓力靈敏度和壓力感測(cè)的功能范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多孔密度薄膜可以感測(cè)0.75 - 25 kPa的大范圍壓力。對(duì)于概念驗(yàn)證應(yīng)用，研究人員展示了一個(gè)3 × 3壓力傳感器陣列，它采用了多孔SEBS和受Kirigami啟發(fā)的圖案化襯底。使用相同的EHD打印工藝制造Ag NW/PI電極，并且具有改進(jìn)的圖案。在無(wú)應(yīng)變和施加應(yīng)變的情況下，該陣列精確地再現(xiàn)了施加的壓力圖案。

3 × 3壓力傳感器陣列

總的來(lái)說(shuō)，研究人員展示了采用EHD印刷電極和多孔電介質(zhì)層的高性能柔性可拉伸OTFT和基于OTFT的壓力傳感器。EHD打印被證明是一種有效的非接觸方法，可以打印明確的Ag NW，用作柵極和源極-漏極。通過(guò)將Ag NW部分嵌入PI襯底中，發(fā)現(xiàn)電極具有高度柔性和機(jī)械魯棒性。所展示的柔性O(shè)TFT在彎曲半徑為1 mm的200次彎曲循環(huán)中具有穩(wěn)定的性能。受Kirigami啟發(fā)的可拉伸OTFT表現(xiàn)出與柔性O(shè)TFT相同的性能，在重復(fù)拉伸50%時(shí)保持初始性能。通過(guò)使用呼吸圖法形成多孔彈性體柵極電介質(zhì)層來(lái)引入壓力敏感性。孔隙密度可以通過(guò)改變呼吸圖法過(guò)程中的濕度和處理時(shí)間來(lái)控制。通過(guò)控制SEBS中的孔密度，壓力傳感器的靈敏度和壓力傳感范圍是可調(diào)的。然后，通過(guò)在柔性襯底中應(yīng)用Kirigami啟發(fā)的切割圖案，可以使壓力傳感OTFT可拉伸。最后，研究人員展示了一種可拉伸的3 × 3壓力傳感器陣列，該陣列采用了多孔SEBS和受Kirigami啟發(fā)的圖案化襯底。這是可拉伸OTFT壓力傳感器的首次演示。這是使用完全溶液處理的直寫(xiě)圖案化器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。多孔彈性體電介質(zhì)層具有可調(diào)的壓力靈敏度和與相鄰層的良好粘附性，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械堅(jiān)固、完全溶液處理、可拉伸的壓力傳感器提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法。

審核編輯：劉清