基于懸空柵極場效應晶體管的多功能傳感器及其制備方法與應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及晶體管傳感器領域，具體涉及一種基于懸空柵極場效應晶體管的多功 能傳感器及其制備方法與應用。
【背景技術】
[0002] 作為人們感知外界信號并獲取信息的工具，傳感器在工業生產、航空航天、環境安 全W及日常生活等各個領域都具有重要的應用。根據被檢測物的類型，常見的傳感器可W 分為化學氣體、生物、離子傳感器W及物理參數傳感器。目前，對壓力、溫度、加速度、磁場、 聲波等信號進行檢測的單一物理參數傳感器或多功能傳感器顯示出了巨大的應用前景，在 生產生活、健康監測W及人工智能方面都具有廣泛的實用價值，逐漸成為傳感器研究的熱 點方向之一 (Sekitani T. , Takamiya M. , Noguchi Y. , Nakano S. , Kato Y. , Sakurai T. and Someya T. , Nat. Mater. , 2007, 6, 413. ；Schwartz G. , Tee B. C. , Mei J. , Appleton A. L. , Kim do H. , Wan邑比 and Bao Z.,化t. Commun. , 2013, 4, 1859.)。
[0003] 場效應晶體管（FET)作為光電領域廣泛應用的電子元件，具有信號放大、穩定性 好、噪聲低、易于調控等優點。近年來，FET被大量應用于物理參數傳感器中，相應的物理 參數傳感器顯示出較高的靈敏度和響應精度。有機場效應晶體管（OFET)作為FET的重要 分支，具有柔初性好和成本低等獨特優勢，在面向可穿戴健康監測和人工智能應用的大面 積矩陣化傳感器方面具有廣闊的應用前景。值得注意的是，結合有機半導體可設計與器 件結構靈活可變的特點，人們已報道了多種類型的OFET傳感器（Pang C.，Lee G. -Y.，Kim T.S. M. ,Kim H. N. ,Ahn S.-H. andSuh K.-Y.,化 t.Mater. ,2012, 11,795. ;Ramuz M. , Tee B. C. , Tok J. B. and Bao Z. , Adv. Mater. , 2012, 24, 3223.) 〇
[0004] 目前報道的陽T傳感器多是單一物理參數傳感器，壓力傳感器是近來報道的最多 的物理參數傳感器之一。盡管壓力傳感器的主要指標（靈敏度、檢測限、響應速度）已經達 到了較為優異的水平，但在器件制備成本、柔初性和功耗等方面仍然存在諸多問題。相對于 壓力傳感器，基于晶體管的高精度溫度傳感器、磁力計、加速度計、聲波傳感器發展緩慢，限 制了其在多功能傳感W及生產生活等領域中的應用。因此，開發基于新型、通用性器件結構 的多功能FET傳感器，實現對多種信號的探測，可滿足健康監測、人工智能和環境監測領域 對不同傳感器的應用需求。此外，多功能傳感器更易集成，可大幅降低器件的制備成本，對 推動相關應用的發展具有重要意義。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種基于懸空柵極場效應晶體管的多功能傳感器及其制備 方法與應用。
[0006] 本發明提供的場效應晶體管傳感器，包括襯底，源電極、漏電極、半導體層、絕緣 層、支撐物、柵極；
[0007] 所述傳感器的結構為如下結構：
[0008] 所述源電極、漏電極位于所述襯底之上；
[0009] 所述半導體層覆蓋所述源電極和漏電極及所述襯底上未被所述源電極和漏電極 覆蓋的區域；
[0010] 所述絕緣層位于所述半導體層之上；
[0011] 所述支撐物位于所述絕緣層之上，且部分覆蓋所述絕緣層；
[0012] 所述柵極覆蓋所述支撐物及所述絕緣層上未被支撐物覆蓋的區域。
[0013] 上述傳感器也可只由上述部件組成；
[0014] 所述傳感器還可包括功能層；所述功能層位于所述柵極層之上。
[0015] 上述傳感器中，構成所述襯底的材料為玻璃、陶瓷或聚合物；
[0016] 構成所述柵極、源電極和漏電極的材料均選自金屬、陶瓷、合金、金屬氧化物、導電 復合材料、重滲雜半導體和導電聚合物中的任意一種；
[0017] 其中，所述金屬為金、銀、鉛、媒或銅；
[0018] 所述陶瓷為娃片；
[0019] 所述合金材料為鎮銀合金、笛金合金、錫巧合金、鉛巧合金、儘媒銅合金、媒鐵鉛合 金、媒館鐵合金、媒儘鐵合金、媒鐵合金或媒鋒合金；
[0020] 所述金屬氧化物為氧化鋼錫、二氧化儘或二氧化鉛；
[0021] 所述導電復合材料為媒館鐵合金和媒鐵合金復合雙金屬片、儘媒銅合金和媒鐵合 金復合雙金屬片或媒儘鐵合金和媒鐵合金復合雙金屬片；
[0022] 所述重滲雜半導體為磯滲雜的娃、測滲雜的娃或神滲雜的娃；其中，磯、測或神的 衫雜質量百分濃度均為1-3%;
[0023] 所述導電聚合物為聚苯胺、聚化咯或聚喔吩；其中，所述聚苯胺的數均分子量為 45〇-1〇6,具體為20000 ;所述聚化咯的數均分子量為30〇-1〇6,具體為20000 ;所述聚喔吩的 數均分子量為40〇-1〇6,具體為20000 ;
[0024] 構成所述絕緣層的材料為無機絕緣材料或有機絕緣材料；
[00巧]其中，所述無機絕緣材料為二氧化娃或氧化鉛；
[0026] 其中，所述有機絕緣材料為聚二甲基娃氧焼、透明氣樹脂、聚甲基丙帰酸甲醋、聚 苯己帰或聚己帰基苯酪；其中，所述聚二甲基娃氧焼分子量為800-10 6,具體為20000與 60000 ;所述透明氣樹脂的分子量為500-106,具體為20000 ;所述聚甲基丙帰酸甲醋的分子 量為500-106,具體為20000 ;所述聚苯己帰的分子量為500-106,具體為20000 ;所述聚己帰 基苯酪分子量為50〇-1〇6,具體為20000 ;
[0027] 構成所述半導體層的材料為具有場效應傳輸性能的無機半導體材料和有機半導 體材料；
[0028] 其中，所述無機半導體材料具體為碳納米管、石墨帰、MoSz或GeS;
[0029] 所述有機半導體材料具體為小分子材料和聚合物材料；所述小分子材料具體為 NDI(20D) (4tBuI%)-DTYM2、NDI3皿-DTYM2、獻菁銅或并五苯；所述聚合物材料具體為P3HT 或PBTT3T ;結構式見圖3所示；
[0030] 構成所述支撐物的材料為聚醜亞胺、光刻膠或聚丙帰臘；
[0031] 構成所述功能層的材料為復合雙金屬片或形狀記憶合金；所述復合雙金屬片具體 為媒館鐵合金和媒鐵合金復合雙金屬片、儘媒銅合金和媒鐵合金復合雙金屬片或媒儘鐵合 金和媒鐵合金復合雙金屬片。
[0032]所述襯底的厚度為1-10000 U m，具體為1-1000 U m，更具體為100-1000 U m，再具 體為800 y m;
[003引 所述半導體層的厚度為5-100皿，具體為10-100皿，更具體為20皿、30皿或 20-30nm;
[0034] 所述源電極和漏電極的厚度均為10-300皿，具體為10-50皿，更具體為30皿；
[0035] 所述絕緣層的厚度為20-1000皿，具體為50-500皿，更具體為100皿；
[0036] 所述支撐物的厚度為0. 1-1000U m，具體為10-100U m，更具體為50U m ;
[0037] 所述柵極層的厚度為0. 1-1000Um，具體為1-100Um，再具體為1-10Um，最具體 為 4 y m;
[0038] 所述功能層的厚度為0. 1-1000 U m，具體為50-500 U m，更具體為100 U m。
[0039] 本發明提供的制備所述場效應晶體管傳感器的方法，包括如下步驟：
[0040] 1)在襯底上巧[J備源電極和漏電極；
[0041] 2)在所述源電極和漏電極上制備半導體層，使所述半導體層覆蓋所述源電極和漏 電極及所述襯底上未被所述源電極和漏電極覆蓋的區域；
[0042] 3)在所述半導體層上制備絕緣層；
[0043] 4)在所述絕緣層上制備支撐物，并使所述支撐物部分覆蓋所述絕緣層；
[0044] 5)在所述支