受Kirigami启发的基于可拉伸有机薄膜晶体管的压力传感器

在可穿戴健康监测、软体机器人和电子皮肤等应用中，柔性可拉伸的电子器件与刚性器件相比具有许多优势。与穿戴表面亲密接触的能力可以提高可穿戴设备的传感能力和舒适度。柔性压力传感器是可穿戴电子设备和触觉接口的关键技术。压敏晶体管的制造提供了将传感和矩阵读出特性结合起来的机会。然而，通常需要在压力敏感性、制造复杂性和机械弹性方面进行权衡。

据麦姆斯咨询报道，近日，北卡罗莱纳州立大学（North Carolina State University）的研究人员开发了一种基于全溶液处理的受剪纸艺术（Kirigami）启发的基于可拉伸有机薄膜晶体管（OTFT）的压力传感器阵列。OTFT集成了几种新颖的加工和设计策略，包括部分嵌入聚酰亚胺（PI）基质中的电流体动力学（EHD）喷墨打印的银（Ag）纳米线（NW）电极。EHD打印提供了精细的图案控制，NW/PI复合材料提高了机械稳定性。通过呼吸图法制造的多孔苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）栅极电介质，使OTFT具有压敏性。控制孔隙密度以实现可调的压力灵敏度。OTFT在小弯曲半径（1 mm）下仍能保持性能，并且可感测0.75至25 kPa的施加压力。最后，在衬底中引入切割图案，在保持压力传感器功能的同时赋予可拉伸性。这项工作中介绍的设计特征和处理方法的结合，使机械弹性可拉伸压力传感器的开发成为可能。

在本项研究工作中，OTFT的制造工艺从EHD在玻璃基板上打印Ag NW开始。然后，将沉积的Ag NW浸泡在去离子水（DI）中以去除油墨中用于改善印刷和提高导电性的聚环氧乙烷（PEO）。经过漂洗后，将PI旋涂在玻璃上，以获得约5 µm厚的Ag NW/PI复合材料。之后，将Ag NW/PI复合材料从玻璃基板上剥离，得到光滑的顶表面，Ag NW部分暴露在表面上，从而与相邻层产生低接触电阻。随后制造底部栅极和顶部接触，首先在聚二甲基硅氧烷（PDMS）支撑物上层压Ag NW/PI复合栅电极，然后将SEBS电介质层旋涂在涂有聚苯乙烯磺酸盐（PSS）的玻璃衬底上，随后将其层压在Ag NW/PI复合材料上，并将叠层浸入水中。在PSS溶解后，SEBS电介质层被转移到Ag NW/PI衬底上，进一步将该复合物从水中取出并干燥。最后，源极/漏极采用与栅极复合材料相同的方法进行处理，并将其层压在半导体薄膜上以完成OTFT的制造。

OTFT制造工艺

研究人员在OTFT阵列的衬底中引入了一种受Kirigami启发的切割图案。该切割图案允许衬底在施加的应变下拉伸，同时使OTFT和电引线上的局部应变最小化。因此，与固有可拉伸晶体管相比，将Kirigami图案应用于OTFT有利于减少迁移率和大应变下的电流-电压特性变化。

Kirigami图案化的可拉伸OTFT

OTFT由于包含多孔SEBS电介质层而具有压力传感能力。孔隙密度可以通过控制呼吸图法中使用的处理时间或湿度来调节。低密度可以有效地调节OTFT的压力灵敏度和压力感测的功能范围。实验结果表明，多孔密度薄膜可以感测0.75 - 25 kPa的大范围压力。对于概念验证应用，研究人员展示了一个3 × 3压力传感器阵列，它采用了多孔SEBS和受Kirigami启发的图案化衬底。使用相同的EHD打印工艺制造Ag NW/PI电极，并且具有改进的图案。在无应变和施加应变的情况下，该阵列精确地再现了施加的压力图案。

3 × 3压力传感器阵列

总的来说，研究人员展示了采用EHD印刷电极和多孔电介质层的高性能柔性可拉伸OTFT和基于OTFT的压力传感器。EHD打印被证明是一种有效的非接触方法，可以打印明确的Ag NW，用作栅极和源极-漏极。通过将Ag NW部分嵌入PI衬底中，发现电极具有高度柔性和机械鲁棒性。所展示的柔性OTFT在弯曲半径为1 mm的200次弯曲循环中具有稳定的性能。受Kirigami启发的可拉伸OTFT表现出与柔性OTFT相同的性能，在重复拉伸50%时保持初始性能。通过使用呼吸图法形成多孔弹性体栅极电介质层来引入压力敏感性。孔隙密度可以通过改变呼吸图法过程中的湿度和处理时间来控制。通过控制SEBS中的孔密度，压力传感器的灵敏度和压力传感范围是可调的。然后，通过在柔性衬底中应用Kirigami启发的切割图案，可以使压力传感OTFT可拉伸。最后，研究人员展示了一种可拉伸的3 × 3压力传感器阵列，该阵列采用了多孔SEBS和受Kirigami启发的图案化衬底。这是可拉伸OTFT压力传感器的首次演示。这是使用完全溶液处理的直写图案化器件来实现的。多孔弹性体电介质层具有可调的压力灵敏度和与相邻层的良好粘附性，为实现机械坚固、完全溶液处理、可拉伸的压力传感器提供了一种简单有效的方法。

审核编辑：刘清