專利名稱：一種有機壓力傳感器及其使用方法
技術領域：
本發(fā)明屬于傳感器技術領域，具體涉及一種用有機共軛小分子半導體材料作為敏感材料的壓力傳感器及其使用方法。
背景技術：
目前比較常用的壓力傳感器有應變片壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器、壓電壓力傳感器，以及半導體(主要是硅)壓力傳感器等，也有摻石墨顆粒的導電橡膠壓力傳感器元件。這些元件大多體積比較大，重量大，壓力傳感元件無法進一步小型化，不易形成微元件組成的大陣列，其剛性的器件結構也使器件無法彎曲。不易形成“觸覺”的測量條件。
有機半導體，特別是有機小分子之間，通常是以范德華力結合在一起的，大多是非常疏松的無定形結構，材料的密度比較小，分子間的距離通常比較大，因此比較容易被壓縮，壓縮后其導電性質也因此而改變，并且在壓力不是很大，溫度不是很高的情況下撤去壓力后可以恢復原來的電學特性。這就是有機半導體和無機半導體的顯著不同之處。這一特性使有機半導體具有優(yōu)越的電阻隨壓力敏感的特性。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種靈敏度高、體積小、重量輕、成本低、使用方便的壓力傳感器及其使用方法。
本發(fā)明提出的壓力傳感器，其由陽極、敏感材料和陰極依次組合構成，其中敏感材料采用有機共軛小分子半導體材料(簡稱有機小分子材料)，例如常用于有機發(fā)光器件制備的有機材料Alq，BCP，NPB等等。這些有機小分子材料的克分子量一般為數百(如400-1000)，最大不超過一萬。在有機小分子內存在共軛的大π鍵是該有機小分子材料的主要特點。這些有機小分子材料也包括含有有機小分子的摻雜物材料，有機小分子與高分子材料的摻雜物，以及有機小分子與富勒烯(碳納米球)的摻雜物。這種有機小分子壓力傳感器或其陣列可以用于機器人的觸覺傳感、氣體或液體壓力的測量、智能控制等多種工業(yè)自控環(huán)境，涉及機器人、醫(yī)療器械、水利水電、生產自控、航空航天、軍工、石化、機床、管道等眾多行業(yè)。
本發(fā)明是以上述有機小分子半導體材料作為工作物質，通過壓縮該物質后測量其電學特性的變化，即可感知在該物質上所加的壓強，從而使器件對外界壓力敏感。
本發(fā)明提出的有機壓力傳感器的基本結構如圖1所示，有兩種基本結構(A)為被測壓力方向與電場方向平行的傳感器，(B)為被測壓力方向與電場方向垂直的傳感器。基本結構為電極/有機材料/電極，其中有機材料主要是指單層或多層有機小分子材料，也包含摻有機小分子材料的摻雜材料，如有機小分子材料之間的摻雜物，有機小分子材料和高分子的摻雜物，有機小分子材料與富勒烯(碳納米球)的摻雜物。電極為金屬(如Al，Au，Cu，Ag等)，或者導電性能良好的有機或無機半導體材料，如銦錫氧化物(ITO)等。電極之間的有機材料的厚度，即縱向尺寸，通常為0.05~50微米，橫向尺寸通常為0.1~10毫米范圍附近。其測量原理主要是通過測量有機材料在縱向或者橫向的(即外加壓強平行或垂直于外加電場方向)壓力下，導電性能隨壓力大小變化的關系。
有機壓力傳感器的制備方法如下主要有以下三種一是真空蒸鍍的方法。電極按常規(guī)方法制備，用真空蒸鍍制備電極中間的有機共軛小分子半導體膜層，蒸鍍過程中保持真空腔體的真空度高于10-4帕，蒸發(fā)速率在0.05~1nm/Sec范圍內。
二是溶液旋涂的方法。這一方法通常是用于含有高分子材料和有機小分子材料摻雜的薄膜的制備，控制材料的溶液濃度在1~10mg/ml的范圍，旋轉速率在1000~6000rpm之間。制備過程中應盡量避免引入各種污染。
三是噴墨打印的方法。控制材料的溶液濃度在1~10mg/ml的范圍內，所使用的噴墨打印技術可以借鑒或使用現(xiàn)有的噴墨打印技術。使用該方法也要盡量避免各種污染的引入。
這里，絕緣基片可以是可彎曲的材料，電極可以是ITO、金屬薄膜或金屬絲，封裝材料可以是膜材或膠體。
有機壓力傳感器元件或陣列的使用方法如下有機小分子材料壓力傳感器的優(yōu)點是器件的靈敏度很高，易于實現(xiàn)壓力傳感器的輕便化、小型化和陣列化。配合可彎曲的有機三極管測量電路，可以制備可彎曲的高靈敏壓力傳感器陣列，這在機器人和醫(yī)療機械上有應用前景。
具體的測量方法和參數如下對于單個元件而言，測試時外加壓力應在1~50KPa的范圍內為宜，在有機材料層上的外加電場強度應在(1~50)×106V/m為宜。使用時可以測量恒定電壓下通過該器件的電流大小，也可以測量恒定電壓下通過器件的電流在給定電阻上產生的電壓降。對于有機傳感器陣列，所有元件可以共用一個陰極或陽極，也可以各自以獨立的陰極和陽極進行測量。在測量過程中，可以使用常規(guī)的行列掃描方法對由傳感器元件所組成的陣列進行測試，每個元件的掃描時間應在1~500毫秒范圍內為宜；也可以把這些元器件制作在有機晶體管(OTFT)或者無機晶體管(TFT)電路構成測試電路板上。如果是制作在可彎曲的有機晶體管(OTFT)測試電路上，將可以制備可彎曲的有機壓力傳感器陣列。
有機壓力傳感器的封裝方法如下在制備好有機壓力傳感器及其陣列以后，需要對元件或陣列進行封裝。封裝的材料是塑料或橡膠薄膜(厚度在1~100微米范圍內)，在氧和水含量小于1ppm的高純氮氣環(huán)境下，通過紫外光照固化環(huán)氧樹脂來隔絕氧氣和水汽，從而達到封裝效果的。
圖1為本發(fā)明的傳感器基本結構示意圖。其中(A)為被測壓力方向與電場方向平行的傳感器，(B)為被測壓力方向與電場方向垂直的傳感器。
圖2為本發(fā)明的有機壓力傳感器的實施圖示。其中(A)為結構一，(B)為結構二，(C)為結構三，(D)為結構四，圖3為ITO/Alq(70nm)/Al(140nm)器件在0.1V電壓下電流隨時間的變化。每次電流的明顯增加對應著一次手工施加壓力的過程，施加的壓力為100克砝碼的重力(壓強為16KPa)。
圖4為一種有機壓力傳感器ITO/Alq(60nm)/Al(160nm)在5伏工作電壓下壓力隨時間變化的電流。當外加壓強分別為8.1，16，32，81KPa時的電流有顯著的增加。增加幅度隨所受壓力的壓強增大而增大。
圖中標號1絕緣基底或基片(可以是可彎曲的)；2電極(ITO，金屬薄膜或金屬細絲)；3有機小分子半導體材料；4絕緣封裝膜或封裝膠。
具體實施例方式
施加在有機壓力傳感器上的外加壓力可以平行于外電場方向，也可以垂直于外電場方向。根據這一點，我們可以設計如圖2所示的四種有機壓力傳感器元件或陣列的典型結構。
其中器件的具體結構一(圖2(A))為在絕緣基片上制備兩個電極(一個陽極，一個陰極)，在兩電極間制備有機薄膜，然后進行封裝，在頂部的封裝材料上施加壓力，測試兩電極間的壓阻特性，各部分尺寸大小與器件基本結構中所述參數一致。器件的具體結構二(圖2(B))為兩個電極(陽極和陰極)被埋入絕緣材料上的柱狀體中，電極一端在柱狀體頭部露出，柱狀體頭部再填充有機小分子半導體材料，然后封裝，在封裝層外施加壓力，測試兩電極間的壓阻特性即可。器件的具體結構三(圖2(C))為絕緣柱狀體中心有一個電極，該電極一端凹進絕緣柱狀體中并露出導電部分，在凹進處填充有機半導體材料，以金屬薄膜封裝并作為另一電極，測試兩電極間的壓阻特性。器件的具體結構四(圖2(D))為一種有機壓力傳感元件陣列，在絕緣基底內埋入多個平行的電極，一端露出導電部分，并填充有機半導體材料，然后覆蓋一層金屬作為各器件共用的另一電極，頂部和側面為封裝材料4。測試各元件的壓阻特性即可。以上各結構器件的各部分尺寸大小與基本結構器件中所述參數一致。
實施例1，如圖1所示，用真空蒸鍍法在以玻璃為基片的ITO電極上蒸鍍70納米厚的有機小分子材料Alq，再蒸鍍140納米厚的鋁電極(如圖2(A))，以ITO為陽極，鋁為陰極，加上0.1V的直流電壓，利用一個100克的砝碼作為外加壓力，器件面積大小為3×4毫米，利用0.88×0.69厘米大小的硅片并覆蓋0.1毫米厚的橡膠作為均勻施加壓力的介質，測量了通過該器件的電流隨時間的變化，施加壓力的過程是手工進行的，持續(xù)時間約為0.2秒，最長不超過0.8秒。可以得到如圖3所示的電流隨時間的變化關系，可以看出器件的靈敏度非常高，電流大小有3~5個數量級的變化。
實施例2，如圖2(A)所示，有機壓力傳感器的結構為ITO/Alq(60nm)/Al(160nm)，在固定電壓(5V)下隨時間變化的電流。在某些時刻加上如圖中所標的壓強后電流有顯著的增加。通過改變制備以及測試的方法和條件，改變器件的結構和材料等，器件的性能還可以進一步優(yōu)化。
實施例3，如圖2(B)所示，在ITO玻璃上腐蝕一個溝道，溝道寬度控制在0.1~10微米之間，蒸鍍一層厚度為500nm的有機薄膜Alq，用拋光硅片覆蓋該薄膜并在其上施加壓力，可測試得到兩電極間具有明顯的壓阻特性。
實施例4，如圖2(D)所示，取10段金屬漆包線，聚成一束導線，相互間距離很近但互相絕緣。將該束導線埋入一團硅膠中并逐漸固化在里面，精細加工其中一端，使該端平整并有金屬導體絲的一端露出；蒸鍍一層0.3微米的Alq材料，再蒸鍍一層Al電極，可以測試得到兩根相鄰的導線間，以及單根導線與金屬Al電極之間具有明顯的隨Al電極上外加壓力變化的壓阻特性。
實施例5，如圖2(C)所示，將外面有塑料蒙皮、里面有單根金屬細絲的導線一端先加工平整，然后使金屬細絲一端凹入塑料蒙皮中，再蒸鍍有機材料Alq 0.2微米，然后蒸鍍金屬電極Al，測量得到金屬電極Al與金屬絲之間具有明顯的壓阻效應。
權利要求
1.一種有機壓力傳感器，由陽極、敏感材料和陰極依次組合構成，其特征在于所述敏感材料采用有機材料，該有機材料為有機共軛小分子半導體材料，或者為含有共軛有機小分子半導體材料的摻雜物，或者為有機共軛小分子半導體材料和高分子材料的摻雜物，或者為有機共軛小分子半導體材料與富勒烯的摻雜物。
2.根據權利要求1所述的有機壓力傳感器，其特征在于所述有機材料為Alq，BCP或NPB。
3.根據權利要求1所述的有機壓力傳感器，其特征在于所述有機材料的厚度為0.05-50微米，橫向尺寸為0.1-10毫米。
4.根據權利要求1所述的有機壓力傳感器，其特征在于為如下結構之一種(1)在絕緣基片(1)上制備兩個電極(2)，兩個電極中間為有機材料(3)，上面為封裝材料(4)；(2)兩個電極(2)埋入絕緣基片(1)中的柱狀體中，電極(2)的一端露出柱狀體頭部，柱狀體頭部為有機材料(3)，頂部為封裝材料(4)；(3)在絕緣基片(1)的中心部位為柱狀體，一個電極(2)設置于柱狀體中，在端部柱狀體的凹進部分露出導電部分，凹進處填充有機材料(3)，由金屬薄膜封裝作為另一電極；(4)在絕緣基片(1)中埋入多個平行電極(2)，平行電極(2)的一端露出導電部分，并填充有機材料(3)，在有機材料(3)上覆蓋一層金屬材料作為共用的另一電極(2)，頂部和側面為封裝材料(4)。
5.一種如權利要求1所述有機壓力傳感器的使用方法，其特征在于對于單個器件；測試時外加壓力為1-50KPa，有機材料層上外加電場強度為(1-50)×106V/m；測量恒定電壓下通過該器件的電流大小，或者測量恒定電壓下通過器件的電流對給定電阻產生的電壓降；對于有機傳感器陣列，所有器件共用一個陰極或陽極，或者以各自獨立的陰極或陽極進行測量；測量過程中，使用常規(guī)的行列掃描方法對由傳感器元件組成的陣列進行測試，每個元件掃描時間為1-500毫秒，或者把這些傳感器元件制作在有機晶體管或者無機晶體管電路構成的測試電路板上，進行測試。
全文摘要
本發(fā)明屬于傳感器技術領域，具體為一種有機壓力傳感器及其使用方法。該傳感器的敏感材料采用有機材料，包括有機共軛小分子半導體材料和該小分子材料的摻雜物等。這種壓力傳感器非常靈敏、體積小、重量輕、成本低，特別適合制備可彎曲的壓力傳感器陣列。本發(fā)明可用于機器人的壓覺、觸覺傳感以及工業(yè)自動控制有關的壓力傳感器及其陣列上，應用前景廣闊。
文檔編號G01L1/20GK101071085SQ200710042328
公開日2007年11月14日 申請日期2007年6月21日 優(yōu)先權日2007年6月21日
發(fā)明者鐘高余, 趙清, 劉宇, 宋佳 申請人:復旦大學
專業(yè)數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
