一种可放大和检测微弱光信号的有机光电探测器阵列制造技术

本发明专利技术提供了一种可放大和检测微弱光信号的有机光电探测器阵列。该阵列由基底、第一电极、界面层、光吸收活性层、界面层和第二电极依次层叠构成，在衬底上制备出多于两个基本器件单元，通过将器件单元用导线依次串联，形成一串联式检测阵列。在工作条件下，该阵列中的所有器件单元能将检测到的微弱光信号转换为电压信号，并实现光电压幅度的倍增，倍增数与串联的基本器件单元数大致相同。由此方法获得的有机光电探测器阵列，可以在不需要额外电信号放大器或系统的情况下，直接将微弱光信号检测、转换成电信号放大输出，从而大幅度缩小探测器阵列占用的几何尺寸，简化了产品设计，在可穿戴电子设备领域有很强的通用性和兼容性。可穿戴电子设备领域有很强的通用性和兼容性。可穿戴电子设备领域有很强的通用性和兼容性。

【技术实现步骤摘要】
一种可放大和检测微弱光信号的有机光电探测器阵列


[0001]本专利技术涉及有机光电探测器和可穿戴设备领域，特别是光电探测和可穿戴医疗
，具体涉及一种制备可检测、放大微弱信号的有机光电探测器阵列的设计方案和技术。

技术介绍

[0002]下一代可穿戴电子设备往往需要柔性、可弯曲、便于小型化等特点，以便可以和人体有更好的贴附。以有机物材料为活性物质的有机半导体光电器件能满足上述要求，且能以低廉的成本大面积、大规模制备，因而有望在新型可穿戴电子设备领域有着巨大的发展空间。目前，市面上常见的可穿戴电子产品如智能手环、智能手表等，一般是将电子元件集成在手环或者表盘上，除了时间显示、天气预报等基本功能外，也能实时监测人体的脉博、血氧值的变化，初步实现了可穿戴医学监控的目的。
[0003]不过，目前市面上的可穿戴生物医疗电子设备距离实现真正意义上的可穿戴功能还有一定的距离，最主要的差距在于其柔性和可弯曲特性不足。例如，对于现有的智能手表来说，要实现对生物医疗信号如脉搏和血氧饱和度的实时监控检测功能，需要集成半导体发光二极管(LED)作为信号源光和半导体光电探测器(PD)作为信号接收器这两个模块。目前市场上采用的LED与PD都是基于无机半导体材料而制备的，受制于无机材料和器件在机械性能上刚性的局限，往往无法承受必要的机械弯曲和折叠，从而不能满足下一代可穿戴电子设备对柔性化这一指标的要求。与此形成鲜明对照的是，有机物具有柔性可弯曲折叠的特征，基于有机聚合物、小分子等材料的有机发光二极管OLED和有机光电探测器OPD便于制备出各种形状的柔性器件,适应各种应用场合.不仅如此，由于有机材料分子结构的丰富多样,其电子能级结构可以在很大范围内得到调整，从而对不同波长的入射光产生光谱响应。
[0004]将有机光电器件用于可穿戴电子设备和医学监控应用,往往受制于微弱的待检测信号的限制,需要配合复杂的电子信号放大器或者模块使用。以可用来监测人体组织微血管床(microvascular bed)中的血容量(blood volume)变化的光电容积脉搏波信号(PPG,photoplethysmogram)为例，要获得可靠的光电容积脉搏波信号，一般通过专业的医疗检测仪器设备，比如脉搏血氧仪(pulse oximeter)来得到。脉搏血氧仪的工作原理在于，即通过特定的光源照射皮肤，然后检测光吸收的变化。传统的血氧仪通过监测真皮层和皮下组织的血液灌流来得到PPG信号。一般而言，光电容积脉搏波信号PPG十分微弱，通过光电探测器检测到光电容积脉搏波信号后，往往需要利用跨阻抗放大器将其放大，以电压形式输出，用于后续信号处理。这就需要额外的信号放大模块，无疑降低了系统整体的可弯曲性，使得可穿戴电子设备功能受限。本专利技术描述了一种制备方法，可以在免于使用电子信号放大模块的情况下,获得能实现对微弱光信号进行放大和检测的有机光电探测器阵列，并将其应用到检测人体组织微血管床中的血容量变化的光电容积脉搏波信号。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种与可穿戴电子检测诊断设备兼容的可放大和检测微弱光信号的有机光电探测器阵列。这种光电探测器阵列，在无需任何额外的电子放大原件的情况下，对被检测微弱信号(如人体组织中的光电容积脉搏波信号)进行有效放大和检测。
[0006]本
技术实现思路
通过以下技术方案实现：
[0007]一种可放大和检测微弱光信号的有机光电探测器阵列，其特征在于，该阵列的单元器件结构依次包括基底、第一电极、界面层、有机光吸收活性层、界面层和第二电极；
[0008]在基底上制备若干个光电探测器独立器件单元，通过导线连接的方法将光电探测器独立单元的正负极首尾相连，串联成一个光电探测器阵列；
[0009]所有独立器件单元能将检测到的微弱光信号转换为电压信号，并实现光电压幅度的倍增，倍增数与串联的基本器件单元数大致相同，从而达到输出光电压信号放大的作用。
[0010]进一步地，使用正置或者倒置型器件结构；正置结构中第一电极为阳极，第二电极为阴极；倒置型结构中，第二电极为阳极，第一电极为阴极。
[0011]进一步地，具有光电响应功能的有机光吸收活性层通过溶液旋涂，刮涂，丝网印刷，喷墨打印，喷涂或者真空热蒸镀成膜等加工制备手段之一获得；光吸收活性层由有机电子给体型材料与有机电子受体型材料混合而成半导体本体异质结,或者由有机电子给体层/有机电子受体层构成半导体。
[0012]进一步地，有机光吸收活性层中的有机电子给体型材料为有机共轭小分子，寡聚物，聚合物。
[0013]进一步地，有机光吸收活性层中的有机电子受体型材料为富勒烯及其衍生物，有机共轭小分子，寡聚物，聚合物。
[0014]进一步地，所述界面层和界面层采用有机材料、金属氧化物材料中的一种或多种组合。
[0015]进一步地，电极和电极包括无机电极材料、有机电极材料、金属电极材料中任意一种及以上，或具有类似功能的材料。
[0016]进一步地，进一步地，所述基底为玻璃,纸张，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚酰亚胺(PI)，聚醚酰亚胺(PEI)等中的任意一种或多种复合物，或具有类似功能的材料。优选的，所述基底为玻璃。
[0017]进一步地，所述无机电极材料包括氧化铟锡ITO、金属纳米线、纳米银浆、铝掺杂的氧化锌AZO。
[0018]进一步地，所述有机电极材料为高导3,4
‑
乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、碳纳米管(CNT)或石墨烯；所述金属电极材料包括锂、镁、钙、锶、钡、铝、铜、金、银、铟中的一种以上。
[0019]进一步地，所述第一电极和第二电极材料为无机电极材料(例如氧化铟锡(ITO)、金属纳米线、纳米银浆、铝掺杂的氧化锌(AZO)等)、有机电极材料(例如高导3,4
‑
乙撑二氧噻吩混合聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、二亚胺二氧化亚氨基(PDINO)、碳纳米管(CNT)、石墨烯等)、金属电极材料(如锂、镁、钙、锶、钡、铝、铜、金、银、铟等)中任意一种以上，或具有类似功能的材料。优选的，所述电极2为氧化铟锡，所述电极6材料为银。
[0020]进一步的，所述给体材料为含有共轭结构的共轭聚合物材料或其他电子给体材
料。优选的，所述有机给体材料为聚[2，6
‑
(4，8
‑
双(5
‑
(2
‑
乙基己基))噻吩
‑2‑
基)
‑
苯并[1，2
‑
b:4，5
‑
b']二噻吩
‑
alt
‑
5，5
‑
(1'，3'
‑
二
‑2‑
噻吩)
‑
5'，7'
‑
双(2
‑
乙基己基)
‑
苯并[1'，2'
‑
c:4'，5'
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可放大和检测微弱光信号的有机光电探测器阵列，其特征在于，该阵列的单元器件结构依次包括基底(1)、第一电极(2)、界面层(3)、有机光吸收活性层(4)、界面层(5)和第二电极(6)；在基底上制备若干个光电探测器独立器件单元，通过导线连接的方法将光电探测器独立单元的正负极首尾相连，串联成一个光电探测器阵列；所有独立器件单元能将检测到的微弱光信号转换为电压信号，并实现光电压幅度的倍增，倍增数与串联的基本器件单元数大致相同，从而达到输出光电压信号放大的作用。2.根据权利要求1所述可放大和检测微弱光信号的有机光电探测器阵列，其特征在于，使用正置或者倒置型器件结构；正置结构中第一电极(2)为阳极，第二电极(6)为阴极；倒置型结构中，第二电极(6)为阳极，第一电极为(2)阴极。3.根据权利要求1所述可放大和检测微弱光信号的有机光电探测器阵列，其特征在于，具有光电响应功能的有机光吸收活性层(4)通过溶液旋涂，刮涂，丝网印刷，喷墨打印，喷涂或者真空热蒸镀成膜等加工制备手段之一获得；光吸收活性层(4)由有机电子给体型材料与有机电子受体型材料混合而成半导体本体异质结,或者由有机电子给体层/有机电子受体层构成半导体。4.根据权利要求1所述可放大和检测微弱光信号的有机光电探测器阵列，其特征在于,有机光吸收活性层(4)中的有机电子给体型材料为有机共轭小分子，寡...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宏滨，陈玉婷，司乙川，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：