基于全有机场效应的柔性人工触觉神经系统及其制备方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于全有机场效应的柔性人工触觉神经系统及其制备方法，属于人工智能技术领域。该柔性人工触觉神经系统包括有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管；所述有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管均利用柔性图案化电极与柔性有机半导体结合，均构筑为场效应构型，以实现高集成阵列化类皮肤触觉系统；所述柔性图案化电极包括源极、漏极、栅极、绝缘层、支撑层。本发明专利技术能够一次性制备出人工触觉神经系统的所有图案化电极和绝缘层，再结合不同功能有机半导体，实现了人工触觉神经系统的制备，极大地降低了制备工艺难度和成本。艺难度和成本。艺难度和成本。

【技术实现步骤摘要】
基于全有机场效应的柔性人工触觉神经系统及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体和人工智能
，具体涉及一种基于全有机场效应晶体管的柔性人工触觉神经系统及其制备方法。

技术介绍

[0002]人类感官神经系统主要包括触觉、嗅觉、味觉、视觉和听觉，能够感知和记忆外界信息。触觉信息作为基本的感觉信息之一，对人类和其他生物感知外部刺激具有重要意义。触觉神经系统有三个关键组成部分，包括受体细胞、轴突和突触。皮肤感知外部刺激，感受器产生相应的动作电位，将含有触觉信息的信号传递到大脑皮层从而识别触觉刺激。因此，类皮肤人工触觉神经系统包含三个核心组件：具有类似于生物受体精细感知能力的触觉传感器，能够模拟神经形态的人工突触，以及用于连接的人造轴突。
[0003]天津大学秦玉香教授团队通过耦合压阻式触觉传感器和两端忆阻器制备了人工触觉神经系统，触觉传感器采用的是CNT/PDMS结构化敏感层的压阻式压力传感器，人工突触采用的是Pt/HfO2/TiN三明治结构的忆阻器，以及导线作为人工轴突；施加在触觉传感器上的外部压力激活忆阻器，产生兴奋性突触后电流，实现生物触觉神经元的成功模拟；但其压阻式传感器通常显示较低的灵敏度、较短的探测范围和较低的集成度，且这种传统的两端金属忆阻器制备过程复杂、成本高、功耗大等问题不利于大规模、高集成阵列化人工触觉神经系统的制备。王中林教授团队通过集成摩擦电纳米发电机(TENG)和突触晶体管构筑了柔性高灵敏人工触觉神经系统，接触过程中电荷转移产生的摩擦电信号激活突触晶体管并成功地触发相应的LED显示。该系统通过依次制备不同的TENG以实现系统的阵列化，单一TENG的尺寸高达厘米量级，严重限制了该系统的集成化与阵列化。为了提高系统集成度，鲍哲南教授研究组利用压阻式触觉传感器、具有放大和降噪能力的有机环形振荡器、离子凝胶突触晶体管制备了3
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2阵列的柔性人工触觉神经系统。该系统从压阻式触觉传感器收集压力信息(1至80 KPa)，环形振荡器将压力信息转换为动作电位，动作电位与突触晶体管集成形成人工触觉神经。然而，该系统采用了低灵敏的压阻式压力传感器，并且三个核心组件采用不同的器件构型，复杂的系统电路难以形成高集成阵列化的触觉感知神经系统，限制了该系统在仿生神经反馈机器人、神经假体、人机交互等领域的实用化发展。
[0004]目前研究主要集中在单个或低密度人工触觉神经系统上，该系统可以感知、处理、记忆不同触觉信号，由于构成人工触觉神经系统的三个核心组件通常采用不同的器件构型和工作原理，导致制备工艺和结构的独立，难以制备高集成阵列化的触觉神经系统，严重限制了该系统进一步实用化的发展。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于全有机场效应的柔性人工触觉神经系统，另一目的是提供该柔性人工触觉神经系统的制备方法，得到高集成、阵列化、类皮肤、低成本的柔性人工触觉神经系统，以弥补现有技术的不足。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采取的具体技术方案如下：一种基于全有机场效应晶体管的柔性人工触觉神经系统，该柔性人工触觉神经系统包括有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管；所述有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管均利用柔性图案化电极与柔性有机半导体结合，均构筑为场效应构型，以实现高集成阵列化类皮肤触觉系统；所述柔性图案化电极包括源极、漏极、栅极、绝缘层、支撑层。
[0007]在一实施例中，所述柔性图案化电极优选为光刻弹性内嵌电极。
[0008]在一实施例中，所述有机场效应触觉传感器用于感知外界触觉信息，将感知的触觉信息转化为模拟信号。
[0009]在一实施例中，所述有机场效应环形振荡器用于将所述模拟信号转化为数字信号。
[0010]在一实施例中，所述有机场效应突触晶体管用于将所述数字信号转化为仿生物信号。
[0011]在一实施例中，所述有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管均采用有机场效应器件构型，包括源电极、漏电极、栅电极、有机半导体层和绝缘层。
[0012]在一实施例中，所述有机场效应触觉传感器有机半导体层材料包括触觉响应敏感的有机半导体。
[0013]在一实施例中，所述有机场效应环形振荡器有机半导体层材料包括双极性有机半导体。
[0014]在一实施例中，所述有机场效应突触晶体管绝缘层材料包括具有羟基偶极子极化绝缘层材料。
[0015]基于全有机场效应晶体管的柔性人工触觉神经系统的制备方法，该制备方法包括：制备柔性图案化电极包括：人工触觉神经系统柔性图案化栅极；人工触觉神经系统柔性图案化源、漏电极；人工触觉神经系统绝缘层、支撑层；在上述柔性图案化电极上，制备人有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管的有机半导体；柔性图案化电极与有机半导体结合完成所述柔性人工触觉神经系统的制备。
[0016]其中，通过蒸镀或光刻工艺一次性制备人工触觉神经系统高精度图案化栅极；通过蒸镀或光刻工艺一次性制备人工触觉神经系统高精度图案化源、漏电极；通过旋涂工艺一次性制备人工触觉神经系统绝缘层；通过掩膜蒸镀、液相法或制备自支撑薄膜等方式制备人工触觉神经系统三个核心组件的有机半导体。
[0017]所述柔性图案化电极制备具体法包括：提供柔性支撑层，具体可为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等，厚度约为20~100 μm；在所述柔性支撑层上蒸镀栅电极，即同时蒸镀所述有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管的栅极；在所述栅电极上制备绝缘层，绝缘层具体可为有机硅(DC1
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2577)结合OS20稀释剂
获得均匀平整的薄膜，厚度约为200~400 nm；在所述绝缘层上制备源、漏电极，即同时蒸镀所述有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管的源、漏电极。
[0018]在一实施例中，所述柔性图案化电极优选为光刻弹性内嵌电极的制备方法包括：所述源、漏电极内嵌于绝缘层中，源、漏电极与绝缘层是共面结构；提供硬质衬底I；在所述硬质衬底I上光刻栅电极，即同时光刻所述有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管的栅极；在所述栅电极上制备弹性共形支撑层，支撑层具体可为聚二甲基硅氧烷(PDMS DC
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184)或热塑性聚氨酯(TPU SG
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80A)薄膜等，厚度约为8~15 μm；提供硬质衬底II；在所述硬质衬底II上光刻源、漏电极，即同时光刻所述有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管的源、漏电极；在所述源电极、漏电极上制备绝缘层，绝缘层具体可为有机硅(DC1
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2577)结合OS20稀释剂获得均匀平整的薄膜，厚度约为0.2~0.4 μm；将上述栅电极/支撑层与所述硬质衬底I分离；将上述栅电极/支撑层与源、漏电极/绝缘层/硬质衬底II键合；将上述源、漏电极/绝缘层/栅电极/支撑层与硬质衬底II本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全有机场效应晶体管的柔性人工触觉神经系统，其特征在于，该柔性人工触觉神经系统包括有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管；所述有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管均利用柔性图案化电极与柔性有机半导体结合，均构筑为场效应构型；所述柔性图案化电极包括源极、漏极、栅极、绝缘层、支撑层。2.如权利要求1所述的柔性人工触觉神经系统，其特征在于，所述有机场效应触觉传感器用于感知外界触觉信息，将感知的触觉信息转化为模拟信号；所述有机场效应环形振荡器用于将所述模拟信号转化为数字信号；所述有机场效应突触晶体管用于将所述数字信号转化为仿生物信号。3.如权利要求1所述的柔性人工触觉神经系统，其特征在于，所述柔性图案化电极为光刻弹性内嵌电极。4.如权利要求1所述的柔性人工触觉神经系统，其特征在于，所述有机场效应触觉传感器包括触觉响应敏感的有机半导体；所述有机场效应环形振荡器包括双极性有机半导体；所述有机场效应突触晶体管包括具有羟基偶极子极化绝缘层材料。5.一种基于全有机场效应晶体管的柔性人工触觉神经系统的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：制备柔性图案化电极包括：制备人工触觉神经系统柔性图案化栅极；制备人工触觉神经系统柔性图案化源极、漏极；制备人工触觉神经系统绝缘层、支撑层；在上述柔性图案化电极上，制备人有机场效应触觉传感器、有机场效应环形振荡器和有机场效应突触晶体管的有机半导体；柔性图案化电极与有机半导体结合完成所述柔性人工触觉神经系统的制备。6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，通过蒸镀或光刻工艺一次性制备人工触觉神经系统柔性图案化栅极；通过蒸镀或光刻工艺一次性制备人工触觉神经系统柔性图案化源极、漏极；通过旋涂工艺一次性制备人工触觉神经系统绝缘层；通过掩膜蒸镀、液相法或制备自支撑薄膜以制备人工触觉神经系统三个核心组件的有机半导体。7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述柔性图案化电极制备具体法包括：提供支撑层，厚度为20~100 μm，为聚对苯二甲酸乙二醇酯；在所述支撑层上蒸镀栅极，即同...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海婷，高树静，潘宇航，王元浩，王经纶，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：