【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于仿生痛觉传感器，具体涉及一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器及其制备方法。
技术介绍
1、近年来机器人技术取得了高速的发展，为了让机器人具有更加类似于人的行为特征，人类已经为其研究出各种感受系统，包括触觉、嗅觉、味觉、视觉、听觉。除此之外，人类还具有一个重要的感受器—痛觉感受器，它可以对外界环境中对人体有害的压力、温度、气味等刺激发出警告，使人体及时的做出躲避动作。相较于其他类型的器官感受器，痛觉感受器有四个重要的特征：阈值、放松、不适应和疼痛过敏。这四个关键特征赋予疼痛感受器强大的预警和保护能力。
2、目前实现痛觉信号感知的方式可以分为两大类：一种是基于算法程序实现伤害性刺激信号预警，另一种则是通过传感器器件实现。针对电子皮肤大面积多阵列的特点，完全基于算法程序不可避免的面临着处理大量数据所带来的高功耗，高程序复杂度的问题，不仅会增大计算机的数据处理压力，也会导致处理速度较慢，增大反应时间。目前通过传感器器件实现痛觉信号感知主要是基于忆阻器，但忆阻器的驱动电压较大，且形成的导电通路存在较大的随机性，导通通路不稳定。同时，目前报道的人工痛觉传感器大多是直接以电刺激模拟伤害性信号刺激作为输入进行伤害信号的检测，还不能实现类似人体痛觉感知系统中压力痛觉感知的功能。有机电化学晶体管具有低驱动电压(<1v)、较大跨导(>10ms)、可调性强等优点，在电子皮肤的大面积制造应用及数据采集方面具有很强的优势。目前基于有机电化学晶体管实现痛觉信号感知的研究还相对较少，已有的基于晶体管的压痛传感器是将压力
3、人体的痛觉感受系统对超过疼痛阈值的刺激信号敏感，能及时的发出预警信号，保护人体免受伤害。同时，不同人群对疼痛信号的敏感程度也有较大差异，而且疼痛阈值还会受到心理因素、环境要素、健康因素的影响，以适应不同的环境变化。因此，研究具有生物痛觉感受器相同功能的仿生痛觉传感器对于实现其在医疗康复、人体假肢以及类人机器人等领域的应用具有重要意义。
技术实现思路
1、针对上述技术现状，本专利技术旨在提供一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器及其制备方法，实现压力信号感知与痛觉阈值控制一体化设计，同时基于自组装的方法更加简便的实现不同的疼痛阈值之间的切换，使其能够在医疗康复、人体假肢以及类人机器人等领域应用。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
3、一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，包括依次设置的柔性衬底层、源漏电极层、半导体通道层、多孔凝胶介电层、栅电极层和表面封装层，源漏电极层设置于柔性衬底层表面，半导体通道层设置于源漏电极层表面并填充源漏电极层的源漏电极之间的沟道区域，多孔凝胶介电层设置于半导体通道层表面，栅电极层设置于多孔凝胶介电层表面，表面封装层设置于栅电极层表面。
4、优选的，所述柔性衬底层的材料采用聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。
5、优选的，所述表面封装层的材料采用聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。
6、优选的，所述源漏电极层的厚度为200-500nm，源漏电极层的材料采用ito、cu、pt、au、石墨烯、碳纳米管或聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)。
7、优选的，所述栅电极层的厚度为200-500nm，栅电极层的材料采用极化电极。
8、优选的，所述栅电极层的材料采用pt、au、石墨烯、碳纳米管或pedot：pss。
9、优选的，所述半导体通道层的厚度为300-600nm，半导体通道层的材料采用聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、聚(2-(3,3’-双十四烷氧基)-[2,2’-联噻吩]-5-基)噻吩[3,2-b]噻吩、聚(2-(3,3’-双(2-(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)乙氧基)-[2,2'-联噻吩]-5-基)噻吩[3,2-b]噻吩)或聚(6[噻吩-3-基]己烷-1-磺酸)四丁基铵。
10、优选的，所述多孔凝胶介电层的厚度范围为2～6μm，多孔凝胶介电层的材料采用由凝胶材料与离子液体或盐溶液混合配制而成离子凝胶；
11、所述凝胶材料采用聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、明胶甲基丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯和聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯中的任意一种或几种的混合物；
12、所述离子液体采用[emim][tfsi]、[emim][fsi]、[emim][dca]、[bmim][pf6]和[emim][bf4]中的一种或几种的混合物；
13、所述盐溶液采用nacl溶液、kf溶液、kcl溶液、kbr溶液、kclo4溶液、kpf6溶液和ktfsi中的一种或几种的混合物。
14、本专利技术如上所述的基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器的制备方法，包括如下过程：
15、将柔性衬底材料分别旋涂在两块玻璃基板上，然后置于真空干燥箱中烘干，得到带有玻璃基板的柔性衬底层和表面封装层；
16、在柔性衬底层上制备源漏电极层，在表面封装层上制备栅电极层；
17、在源漏电极层的源漏电极之间滴涂用于制备半导体通道层的溶液并旋涂，再进行退火，得到半导体通道层；
18、将多孔凝胶介电层转移到半导体通道层表面；
19、将已制备好的带有栅电极层的表面封装层从玻璃基板上剥离并转移到多孔凝胶介电层表面，得到所述基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器。
20、优选的，所述多孔凝胶介电层是通过浇注并刻蚀可溶性牺牲模板获得的有序多孔结构；
21、所述可溶性牺牲模板是利用重力沉降法、垂直沉积法、离心沉积法或电泳沉积法这些自组装工艺形成的高度有序的胶体晶体模板；
22、所述可溶性牺牲模板的结构通过使用不同尺寸的纳米颗粒或改变温度、湿度、溶剂这些自组装条件来控制。
23、本专利技术具有如下有益效果：
24、本专利技术基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器充分利用有机电化学晶体管的工作特性，实现低驱动电压，高跨导的同时可以在单个器件中实现压力信号感知与阈值控制，并模拟痛觉感受器的四大关键特性：阈值、放松、不适应和疼痛敏化。该器件直接以压力刺激作为输入信号，具有与人类皮肤痛觉感受器高度相似的工作方式。该器件通过调整栅极电压或多孔凝胶介电层的孔隙率实现疼痛阈值的改变，极大拓宽了该痛觉感受器的应用领域。由于该器件使用柔性材料，能够保证复杂表面情况下器件的持续稳定工作。
25、本专利技术基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器的制备方法与大规模溶液制备方法兼容，且采用简便易行的自组装的方法，能有效降低制备时间和制造成本。
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1.一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，包括依次设置的柔性衬底层(1)、源漏电极层(2)、半导体通道层(3)、多孔凝胶介电层(4)、栅电极层(5)和表面封装层(6)，源漏电极层(2)设置于柔性衬底层(1)表面，半导体通道层(3)设置于源漏电极层(2)表面并填充源漏电极层(2)的源漏电极之间的沟道区域，多孔凝胶介电层(4)设置于半导体通道层(3)表面，栅电极层(5)设置于多孔凝胶介电层(4)表面，表面封装层(6)设置于栅电极层(5)表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，所述柔性衬底层(1)的材料采用聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，所述表面封装层(6)的材料采用聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述的一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，所述源漏电极层(2)的厚度为200-500nm，源漏电极层(2)的材料采用ITO、Cu、Pt、Au、石墨
5.根据权利要求1所述的一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，所述栅电极层(5)的厚度为200-500nm，栅电极层(5)的材料采用极化电极。
6.根据权利要求5所述的一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，所述栅电极层(5)的材料采用Pt、Au、石墨烯、碳纳米管或PEDOT：PSS。
7.根据权利要求1所述的一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，所述半导体通道层(3)的厚度为300-600nm，半导体通道层(3)的材料采用聚(3-己基噻吩-2,5-二基)、聚(2-(3,3’-双十四烷氧基)-[2,2’-联噻吩]-5-基)噻吩[3,2-b]噻吩、聚(2-(3,3’-双(2-(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)乙氧基)-[2,2'-联噻吩]-5-基)噻吩[3,2-b]噻吩)或聚(6[噻吩-3-基]己烷-1-磺酸)四丁基铵。
8.根据权利要求1所述的一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，所述多孔凝胶介电层(4)的厚度范围为2～6μm，多孔凝胶介电层(4)的材料采用由凝胶材料与离子液体或盐溶液混合配制而成离子凝胶；
9.权利要求1-8任意一项所述的基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器的制备方法，其特征在于，包括如下过程：
10.根据权利要求9所述的基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器的制备方法，其特征在于，所述多孔凝胶介电层(4)是通过浇注并刻蚀可溶性牺牲模板获得的有序多孔结构；
...【技术特征摘要】
1.一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，包括依次设置的柔性衬底层(1)、源漏电极层(2)、半导体通道层(3)、多孔凝胶介电层(4)、栅电极层(5)和表面封装层(6)，源漏电极层(2)设置于柔性衬底层(1)表面，半导体通道层(3)设置于源漏电极层(2)表面并填充源漏电极层(2)的源漏电极之间的沟道区域，多孔凝胶介电层(4)设置于半导体通道层(3)表面，栅电极层(5)设置于多孔凝胶介电层(4)表面，表面封装层(6)设置于栅电极层(5)表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，所述柔性衬底层(1)的材料采用聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，所述表面封装层(6)的材料采用聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述的一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，所述源漏电极层(2)的厚度为200-500nm，源漏电极层(2)的材料采用ito、cu、pt、au、石墨烯、碳纳米管或聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)。
5.根据权利要求1所述的一种基于有机电化学晶体管的柔性压痛传感器，其特征在于，所述栅电极层(5)的厚度为200-500nm...
【专利技术属性】
技术研发人员：李支康，王斌，王佳翔，芦继健，赵康，贾博清，罗国希，李敏，韩香广，赵立波，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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