【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学晶体管，更为具体地讲，涉及一种基于垂直电化学晶体管(voect)阵列的高密度复合离子检测装置及制备方法。
技术介绍
1、垂直电化学晶体管(vertical eloectrochemical transistor，voect)具有制备简单、低能耗和可柔性化等特点，是目前新型电子领域中的一颗璀璨新星。此外，voect具有卓越的生物兼容性，这使得它们非常适合在人体内部工作，可以广泛应用于植入式设备等生物医疗工具。更引人注目的是，通过制备能够获得极小尺寸的voect，使其具有极高的输入灵敏度，赋予了它们检测微弱信号的能力，例如离子溶液中离子转移产生的微弱电信号。这种独特的特性使得voect在生物传感、神经科学和人工皮肤等多个领域内都拥有巨大的应用潜力。
2、voect阵列是由众多的垂直电化学晶体管组成的微型阵列，每一个晶体管都能独立地工作，或者与其他晶体管联合驱动，以完成预定的功能。voect阵列在生物传感器和离子浓度检测等领域有着广泛的应用。voect阵列的高密度复合离子检测器其关键在于检测器的尺寸应足够小，以便能够紧密排列在阵列中，并在给定的区域内容纳大量的传感器，在高集成度的阵列内对工作区域进行细化，能够得到更多种类的离子传感区域。此外，voect阵列的高密度复合离子检测技术中的外部电路能够独立地驱动阵列内的每一个晶体管，这带来了设备控制上的极大灵活性。目前，离子浓度检测技术还存在以下几个问题，一是利用晶体管进行离子检测精度不够，难以满足体液中部分离子检测的精度需求(0.01mmol/l)；二是传统
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于voect阵列的高密度复合离子检测装置及制备方法，一方面保证了单个voect器件具有微米及以下的短沟道，另一方面进一步提高了voect阵列在离子浓度检测中的时间、空间分辨率。通过本专利技术的基于voect阵列的高密度复合离子检测装置及制备方法，不仅成功提高了voect阵列中器件的有效工作效率，同时将多种离子检测复合在一个传感器中，能够满足对多种离子同时进行高精度检测。另外，该种voect阵列的高密度复合离子检测器将有效降低检测过程中的能耗，减小放热，实现更高的跨导，达到更加优良的检测精度。基于voect阵列的高密度复合离子检测装置中的外部电路，有效避免了单一驱动和读取的电路设计，利用结构的优势实现了精确地读取和监控指定voect的信号；与现有的voect阵列离子检测技术相比，具有高精度、小面积、低功耗、灵活驱动以及高精度信号放大的优势，满足了基于voect阵列的测试需求。
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种基于voect阵列的高密度复合离子检测装置，所述装置包括voect阵列、离子检测层和外部电路探针；voect阵列由基板、源极线、半导体层、漏极线和封装层组成，用于检测离子浓度并增强离子信号；离子检测层包括离子驱动层、隔离层、离子选择性膜、待检测液、栅极，用于检测对应的离子浓度，提供离子检测信号源；外部电路探针用于连接外部电路；
3、所述基板中央设置多条平行条状源极线，在每条源极线上均匀排布多个方形半导体，单个方形半导体的宽度大于源极线的宽度；在半导体层的中央位置处设置多条平行条状的漏极线，漏极线的宽度小于半导体层的宽度；所述漏极线与所述源极线相互垂直；所述漏极线上方设置封装层，所述封装层在漏极线与源极线相互垂直交叉中央位置处开方形孔，俯视所述检测装置时所述方形孔的开孔的尺寸需露出漏极线与源极线交叉重叠区域及半导体区域；所述封装层上方设置离子驱动层，所述离子驱动层尺寸满足覆盖voect阵列且露出漏极线电极末端和源极线电极末端；所述离子驱动层上设置隔离层，所述隔离层尺寸满足露出漏极线电极末端和源极线电极末端；所述隔离层将voect阵列分为多个工作区；所述离子选择性膜分别制备在对应隔离区域内；所述待检测液完全覆盖voect阵列工作区；在待检测液之上设置栅极，栅极与待检测液接触；所述外部电路探针与多路漏极线末端、多路源极线末端以及栅极相连；
4、在栅极和漏极线上施加电压信号，在栅极电压以及漏极线和源极线间的源漏电压作用下，待检测液中的对应离子与对应的离子选择性膜反应，迫使离子驱动层中的离子渗入或析出半导体层内部，从而实现对待检测液中离子种类及浓度的检测。
5、本专利技术还提供一种基于voect阵列的高密度复合离子检测装置的制备方法，在制备过程中，采用垂直结构的方式先制备基板，并对基板进行清洗并干燥；接着依次在基板上制备源极线；在源极线上制备半导体层；在半导体层上制备漏极线；在漏极上制备封装层，并暴露出位于漏极线与源极线相互垂直交叉中央位置的半导体层；在封装层上制备离子驱动层，覆盖半导体层并暴露出位于漏极线电极末端和源极线电极末端区域；在离子驱动层制备隔离层划分工作区；在隔离层上制备离子选择性膜；在离子选择性膜上滴加待检测液；制备与待检测液相连的栅极；最后制备外部电路探针，并与voect阵列电极连接。
6、本专利技术提供的基于voect阵列的高密度复合离子检测装置及制备方法具有以下有益的技术效果：
7、(1)、采用垂直结构器件，沟道长度可以在100nm～10μm范围内可控调节，进而可根据沟道长度调节晶体管各项指标，如电流密度、开关速率、电容大小等；
8、(2)、采用有机半导体层，在栅极电压作用下，电解质层中的离子通过渗入或析出半导体中，有效控制半导体中的载流子浓度，改变半导体的导电能力；
9、(3)、本专利技术在制备阵列顶部的漏极线时，能够有效避免漏极与源极的接触，从而避免器件短路；同时该结构适用于多种电极制备方法，包括蒸镀、溅射等；
10、(4)、本专利技术提供的基于voect阵列的高密度复合离子检测装置制备方法与大规模的溶液制备方法兼容，能够有效降低制备能耗和制备成本；同时器件结构兼容柔性可拉伸衬底，能够实现在极端应力条件下保持稳定的器件性能和信号输出；
11、(5)、本专利技术提供的基于voect阵列的高密度复合离子检测装置，能够在微米尺度上同时检测和分析多种离子的浓度，从而具有对人体血液和废液进行观察和分析的能力；
12、(6)、本专利技术提供的基于voect阵列的高密度复合离子检测装置，能够在满足器件设计的情况下尽可能增加器件的集成密度，可以达到27000个晶体管/mm2，单个阵列的尺寸可以从10*10个晶体管扩展至100*100、1000*1000个晶体管，将有效提升传感技术的冗余度、寿命、准确度等关键指标；
13、(7)、本专利技术提供的基于voect阵本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于垂直电化学晶体管vOECT阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述装置包括vOECT阵列、离子检测层和外部电路探针；vOECT阵列由基板、源极线、半导体层、漏极线和封装层组成，用于检测离子浓度并增强离子信号；离子检测层包括离子驱动层、隔离层、离子选择性膜、待检测液、栅极，用于检测对应的离子浓度，提供离子检测信号源；外部电路探针用于连接外部电路；
2.根据权利要求1所述的基于vOECT阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述漏极线与源极线的各个交叉重叠区域构成单个vOECT器件，单个vOECT器件的尺寸小于10μm×10μm，阵列区域晶体管密度高于4,400个/mm2，在进行离子浓度检测时，每个工作区内的器件能够单独检测一种离子。
3.根据权利要求1所述的基于vOECT阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述基板为玻璃、硅片、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN、聚二甲基硅氧烷PDMS或聚氨酯PU中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于vOECT阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述源极线和漏
5.根据权利要求1所述的基于vOECT阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述半导体层的厚度为10～200nm，半导体层的长宽都为10μm，半导体层选用聚[噻吩-双(2-(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)乙氧基)-2,2'-联噻吩]、聚[2,5-二(2,5,8,11,14-五氧杂-16)-3,6双(噻吩-2)-2,5-二氢吡咯(3,4)吡咯-1,4-二酮]、聚[并噻吩-双(2-(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)乙氧基)-2,2'-联噻吩]、聚(苯并咪唑二苯并菲罗啉)或聚乙二醇(二醇)二丙烯酸酯中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于vOECT阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述封装层选用派瑞林C(Parylene-C)、纤维素、光刻胶SU-8、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚苯乙烯-乙烯-丁烯SEBS中的一种。
7.根据权利要求1所述的基于vOECT阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述离子驱动层选用聚(4-苯乙烯磺酸钠)、聚乙烯二氧噻吩或聚苯胺中的一种；所述隔离层选用光刻胶SU-8、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、派瑞林C(Parylene-C)、纤维素中的一种；所述离子选择性膜选用四氢呋喃、高分子量PVC、离子载体、双(2-乙基己基)塑化溶剂中介剂、双(2-乙基己基)塑化溶剂中的多种；所述离子载体为钠离子、钾离子、钙离子中的一种；所述待检测液中含有钾离子、钙离子、镁离子、钠离子、磷酸根离子。
8.根据权利要求1所述的基于vOECT阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述外部电路与所述vOECT阵列中所有器件进行交互，所述交互为通过定义行和列的组合来实现对任意一个vOECT器件的选通控制和读取操作，通过施加栅极和漏极电压驱动单个vOECT器件，并通过源极电流采集与跨导放大得到可读取的电压信号。
9.一种基于vOECT阵列的高密度复合离子检测装置的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的基于vOECT阵列的高密度复合离子检测装置的制备方法，其特征在于，所述源极线、漏极线、栅极采用蒸镀、磁控溅射、喷涂、喷墨打印、气溶胶打印、丝网印刷、激光雕刻中的一种方法制备；所述半导体层、封装层、离子驱动层采用旋涂、喷涂、丝网印刷、喷墨打印、3D打印、气溶胶打印、电流体打印或刮涂中的一种方法制备。
...【技术特征摘要】
1.一种基于垂直电化学晶体管voect阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述装置包括voect阵列、离子检测层和外部电路探针；voect阵列由基板、源极线、半导体层、漏极线和封装层组成，用于检测离子浓度并增强离子信号；离子检测层包括离子驱动层、隔离层、离子选择性膜、待检测液、栅极，用于检测对应的离子浓度，提供离子检测信号源；外部电路探针用于连接外部电路；
2.根据权利要求1所述的基于voect阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述漏极线与源极线的各个交叉重叠区域构成单个voect器件，单个voect器件的尺寸小于10μm×10μm，阵列区域晶体管密度高于4,400个/mm2，在进行离子浓度检测时，每个工作区内的器件能够单独检测一种离子。
3.根据权利要求1所述的基于voect阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述基板为玻璃、硅片、聚对苯二甲酸乙二醇酯pet、聚萘二甲酸乙二醇酯pen、聚二甲基硅氧烷pdms或聚氨酯pu中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于voect阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述源极线和漏极线的电极宽度范围为1～10μm，平行源极线或漏极线之间间隔为1～10μm，源极线和漏极线选用金、铂、碳纳米管或石墨烯中的一种；所述栅极选用金、银、银/氯化银、聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐、碳纳米管、石墨烯、石墨炔中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于voect阵列的高密度复合离子检测装置，其特征在于，所述半导体层的厚度为10～200nm，半导体层的长宽都为10μm，半导体层选用聚[噻吩-双(2-(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)乙氧基)-2,2'-联噻吩]、聚[2,5-二(2,5,8,11,14-五氧杂-16)-3,6双(噻吩-2)-2,5-二氢吡咯(3,4)吡咯-1,4-二酮]、聚[并噻吩-双(2-(2-(2...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄伟，周毅昕，陈聪，白利兵，程玉华，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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