一种自供电的电化学传感器及其太阳能电池与加工方法技术

一种自供电的电化学传感器及其太阳能电池与加工方法，电化学传感器包括衬底，所述衬底上设置有源极、漏极、栅极、半导体沟道层以及太阳能电池，通过对半导体沟道层涂覆钙离子选择膜和栅极涂覆葡萄糖氧化酶实现对泪液中钙离子和葡萄糖的检测。而太阳能电池包括漏极太阳能电池和栅极太阳能电池，其中源极和漏极太阳能电池、栅极太阳能电池的底电极连接，漏极和漏极太阳能电池的顶电极连接，栅极和栅极太阳能电池的顶电极连接。通过栅极太阳能电池光电转换层材料的选择实现对栅极电压的调制，使得传感器获得最大的检测灵敏度。本发明专利技术化学传感器可以在太阳光和室内光照下检测泪液中钙离子和葡萄糖浓度，并且可以扩展到多种化学生理信号的检测。理信号的检测。理信号的检测。

【技术实现步骤摘要】
一种自供电的电化学传感器及其太阳能电池与加工方法


[0001]本专利技术属于传感器领域，涉及一种自供电的电化学传感器及其太阳能电池与加工方法。

技术介绍

[0002]能够实时监测人体健康状态和理化信号的生物电子器件，在过去几十年里一直是实验室的研究重点。目前已经开发出诸多穿戴式电子设备在实验室中成功监测了人体的脑电、心电、脉搏以及葡萄糖浓度变化情况。然而这些穿戴式电子设备仍然受到硬质电路元件、终端信息交互以及长期供电电源等因素的限制，使得这些穿戴式电子设备大多只能在体外穿戴检测，检测对象多以物理生理信号为主，从中获取的健康信息有限。而人体的体液中包含了丰富的化学信号，和人体的健康状况息息相关，而这些刚性设备用于体液检测时，往往带来人体的不适感，因此，需要开发生物兼容性良好的体内穿戴式传感器。
[0003]电源问题是传感器用于人体健康监测不可避免的问题，在体外检测设备中常用的锂电池由于续航问题无法长期用于体内监测，因此需要开发可以自供电的无线电源。
[0004]目前研究人员开发出了基于交流线圈供电、生物燃料电池以及纳米摩擦发电等技术的自供电电源。交流线圈供电利用互感原理实现体外向体内穿戴式设备供电，其问题在于需要额外的交流线圈设备，器件结构复杂，便携性不强。此外，互感原理的供电效率不高，能量损失严重，损失的能量容易造成热效应，危害人体健康；生物燃料电池利用体液中葡萄糖、乳酸等物质的氧化还原反应产生电能，其缺点在于能量密度不高；纳米摩擦发电技术也有着同样的问题，输出功率低并且不稳定。此外，由于体内化学生理信号较多，发生氧化反应的电势需求也各有差别，因此自供电电源的输出要有很强的调制能力，以满足检测不同化学生理信号的要求。鉴于以上情况，业界迫切需要一种输出功率密度高、输出电压调制能力强、加工工艺简单的自供电传感器用于人体体液中化学生理信号的检测。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种自供电的电化学传感器及其太阳能电池与加工方法，该电化学传感器的检测灵敏度高，尤其适用于泪液中组分浓度检测，其太阳能电池的电压输出调制范围广，且通过溶液法和真空热蒸镀法制备，工艺简单。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术有如下的技术方案：
[0007]第一方面，提供一种自供电的电化学传感器，包括衬底，所述衬底上设置有源极、漏极、栅极、半导体沟道层以及太阳能电池；
[0008]所述太阳能电池包括用于给漏极供电的漏极太阳能电池以及用于给栅极供电的栅极太阳能电池；所述漏极太阳能电池包括漏极太阳能电池底电极以及层叠设置在漏极太阳能电池底电极上的漏极太阳能电池底电极修饰层、漏极太阳能电池光电转换活性层、漏极太阳能电池顶电极修饰层、漏极太阳能电池顶电极；所述栅极太阳能电池包括栅极太阳
能电池底电极以及层叠设置在栅极太阳能电池底电极上的栅极太阳能电池底电极修饰层、栅极太阳能电池光电转换活性层、栅极太阳能电池顶电极修饰层、栅极太阳能电池顶电极；
[0009]所述源极、漏极、栅极平行排布，且漏极位于源极和栅极之间，并与源极和栅极之间留有空隙；所述半导体沟道层覆盖设置在源极和漏极形成的空隙上方；所述源极分别与漏极太阳能电池底电极以及栅极太阳能电池底电极连接；所述漏极与漏极太阳能电池顶电极连接；所述的栅极与栅极太阳能电池顶电极连接；通过采集所述源极和所述漏极之间形成的电流大小，参照待测物浓度的相对电流变化得到待测物的浓度值。
[0010]作为优选，所述半导体沟道层的长度为3mm～5mm，宽度为0.5mm～1mm，厚度为100mm～200nm；所述栅极的长度为3mm～5mm，宽度为3mm～5mm；所述漏极的长度为3mm～5mm，宽度为1mm～2mm；所述源极的长度为3mm～5mm，宽度为1mm～2mm。
[0011]作为优选，所述漏极太阳能电池顶电极和栅极太阳能电池顶电极的长度为5mm～9mm，宽度为3mm～5mm。
[0012]作为优选，所述源极、漏极采用金电极，栅极采用铂电极，半导体沟道层采用PEDOT：PSS PH1000。
[0013]作为优选，所述漏极太阳能电池底电极和栅极太阳能电池底电极采用氧化铟锡或PEDOT：PSS PH1000；所述漏极太阳能电池底电极修饰层为PEDOT：PSS AL4083；所述漏极太阳能电池光电转换活性层为P3HT和PCBM的共混材料；所述漏极太阳能电池顶电极修饰层为聚合物电子修饰材料，包括PDINO、ZrAcac、PFN
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Br中的任一种；所述栅极太阳能电池底电极修饰层为ZnO；所述栅极太阳能电池光电转换活性层为有机半导体共混材料，根据检测物的氧化反应电势选择，包括P3HT：PCBM、PTB7
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Th：ITIC、PM6：BTPCl中的任一种；所述漏极太阳能电池顶电极和栅极太阳能电池顶电极采用铝或者银电极。
[0014]第二方面，提供一种所述自供电的电化学传感器的加工方法，该自供电的电化学传感器用于泪液组分浓度检测，包括以下步骤：
[0015]在衬底上以真空热蒸镀或磁控溅射沉积金属形成源极、漏极和栅极；
[0016]使用溶液旋涂法沉积半导体沟道层；
[0017]通过高温退火工艺增强聚合物半导体沟道层的结晶；
[0018]根据泪液组分在所述半导体沟道层上使用溶液旋涂法制备待测离子选择膜涂层，用于选择性检测待测离子浓度并抑制其他离子进入；在所述栅极上用溶液旋涂法制备泪液能量物质或神经传导物质检测层，用于选择性检测泪液能量物质或神经传导物质。
[0019]作为优选，所述使用溶液旋涂法沉积半导体沟道层的步骤包括：先将PEDOT：PSS PH1000溶液滴加在源极和漏极的上方，以1000rpm
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3000rpm的转速形成均匀的半导体沟道材料薄膜；再将半导体沟道材料薄膜放置在90℃
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200℃的热台上完成加热处理，得到半导体沟道层。
[0020]作为优选，所述待测离子包括钙离子、钠离子、钾离子，所述能量物质包括葡萄糖，所述神经传导物质包括多巴胺、皮质醇。
[0021]第三方面，提供一种所述自供电的电化学传感器的太阳能电池加工方法，包括以下步骤：
[0022]在衬底上制备漏极太阳能电池底电极和栅极太阳能电池底电极；
[0023]在漏极太阳能电池底电极上制备漏极太阳能电池底电极修饰层；
[0024]在漏极太阳能电池底电极修饰层上制备漏极太阳能电池光电转换活性层；
[0025]在漏极太阳能电池光电转换活性层上制备漏极太阳能电池顶电极修饰层；
[0026]在栅极太阳能电池底电极上制备栅极太阳能电池底电极修饰层；
[0027]在栅极太阳能电池底电极修饰层上制备栅极太阳能电池光电转换活性层；
[0028]在栅极太阳能电池光电转换活性层上制备栅极太阳能电池顶电极修饰层；
[0029]在漏极太阳能电池顶电极修饰层和栅极太阳能电池顶电极修饰层上制备漏极太阳能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自供电的电化学传感器，其特征在于，包括衬底(1)，所述衬底(1)上设置有源极(2)、漏极(3)、栅极(4)、半导体沟道层(5)以及太阳能电池；所述太阳能电池包括用于给漏极(3)供电的漏极太阳能电池以及用于给栅极(4)供电的栅极太阳能电池；所述漏极太阳能电池包括漏极太阳能电池底电极(6)以及层叠设置在漏极太阳能电池底电极(6)上的漏极太阳能电池底电极修饰层(7)、漏极太阳能电池光电转换活性层(8)、漏极太阳能电池顶电极修饰层(9)、漏极太阳能电池顶电极(10)；所述栅极太阳能电池包括栅极太阳能电池底电极(11)以及层叠设置在栅极太阳能电池底电极(11)上的栅极太阳能电池底电极修饰层(12)、栅极太阳能电池光电转换活性层(13)、栅极太阳能电池顶电极修饰层(14)、栅极太阳能电池顶电极(15)；所述源极(2)、漏极(3)、栅极(4)平行排布，且漏极(3)位于源极(2)和栅极(4)之间，并与源极(2)和栅极(4)之间留有空隙；所述半导体沟道层(5)覆盖设置在源极(2)和漏极(3)形成的空隙上方；所述源极(2)分别与漏极太阳能电池底电极(6)以及栅极太阳能电池底电极(11)连接；所述漏极(3)与漏极太阳能电池顶电极(10)连接；所述的栅极(4)与栅极太阳能电池顶电极(15)连接；通过采集所述源极(2)和所述漏极(3)之间形成的电流大小，参照待测物浓度的相对电流变化得到待测物的浓度值。2.根据权利要求1所述自供电的电化学传感器，其特征在于，所述半导体沟道层(5)的长度为3mm～5mm，宽度为0.5mm～1mm，厚度为100mm～200nm；所述栅极(4)的长度为3mm～5mm，宽度为3mm～5mm；所述漏极(3)的长度为3mm～5mm，宽度为1mm～2mm；所述源极(2)的长度为3mm～5mm，宽度为1mm～2mm。3.根据权利要求1所述自供电的电化学传感器，其特征在于，所述漏极太阳能电池顶电极(10)和栅极太阳能电池顶电极(15)的长度为5mm～9mm，宽度为3mm～5mm。4.根据权利要求1所述自供电的电化学传感器，其特征在于，所述源极(2)、漏极(3)采用金电极，栅极(4)采用铂电极，半导体沟道层(5)采用PEDOT：PSS PH1000。5.根据权利要求1所述自供电的电化学传感器，其特征在于，所述漏极太阳能电池底电极(6)和栅极太阳能电池底电极(11)采用氧化铟锡或PEDOT：PSS PH1000；所述漏极太阳能电池底电极修饰层(7)为PEDOT：PSS AL4083；所述漏极太阳能电池光电转换活性层(8)为P3HT和PCBM的共混材料；所述漏极太阳能电池顶电极修饰层(9)为聚合物电子修饰材料，包括PDINO、ZrAcac、PFN
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Br中的任一种；所述栅极太阳能电池底电极修饰层(12)为ZnO；所述栅极太阳能电池光电转换活性层(13)为有机半导体共混材料，根据检测物的氧化反应电势选择，包括P3HT：PCBM、PTB7
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Th：ITIC、PM6：BTPCl中的任一种；所述漏极太阳能电池顶电极(10)和栅极太阳能电池顶电极(15)采用铝或者银电极。6.一种如权利要求1至5中任一项所述自供电的电化学传感器的加工方法，其特征在于，该自供电的电化学传感器用于泪液组分浓度检测，包括以下步骤：在衬底(1)上以真空热蒸镀或磁控溅射沉积金属形成源极(2)、漏极(3)和栅极(4)；使用溶液旋涂法沉积半导体沟道层(5)；通过高温退火工艺增强聚合物半导体沟道层(5)的结晶；根据泪液组分在所述半导体沟道层(5)上使用溶液旋涂法制备待测离子选择膜涂层，用于选择性检测待测离子浓度并抑制其他离子进入；在所述栅极(4)上用溶液旋涂法制备泪液能量物质或神经传导物质检测层，用于选择性检测泪液能量物质或神经传导物质。
7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，所述使用溶液旋涂法沉积半导体沟道层(5)的步骤包括：先将PEDOT：PSS PH1000溶液滴加在源极(2)和漏极(3)的上方，以1000rpm
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3000rpm的转速形成均匀的半导体沟道...

【专利技术属性】
技术研发人员：马伟，林保均，王世杰，王萌，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：