CN118655203A - 一种基于扩展栅型ofet的智能离子检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统及方法，涉及有机场效应晶体管技术领域，该系统包括扩展栅型OFET、检测电路系统，扩展栅型OFET包括间隔设置在同一基底上的OFET单元器件、功能化的扩展栅；OFET单元器件包括从上至下依次层叠设置的源/漏电极、半导体层、介电层及栅极，功能化的扩展栅与栅极电性连接，功能化的扩展栅通过离子交换膜进行功能化修饰；FET单元器件和功能化的扩展栅通过柔性电路板与检测电路系统电性连接；检测电路系统为功能化的扩展栅提供扫描电压，为漏极提供偏置电压，获取栅极电压，基于转移特性曲线确定离子浓度。本发明可避免晶体管受到溶液干扰，检测结果更加可靠，适用于多种离子的检测。
Description
技术领域
本发明涉及有机场效应晶体管技术领域，特别是涉及一种基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统及方法。
背景技术
场效应晶体管是现代电子工业的核心部件。然而，由于量子隧道效应的影响，人们发现硅基场效应晶体管很难通过缩小尺寸来进一步提高其性能。相反，有机场效应晶体管(OFET)由于其生物相容性、机械柔性、信号放大功能、溶液处理等优点，已被报道具有很高的实际应用价值。OFET的工作原理是通过栅极电压控制源极和漏极电流。与电化学或光学传感等其他传感技术相比，OFET既可以作为信号转换器，也可以作为信号放大器。因此，使用OFET作为传感器可以简化器件结构，满足器件集成化和小型化的要求。自1986年发明场效应晶体管以来，通过合成新材料、改善了加工工艺和界面工程等方法，将其迁移率从10-5cm2 V-1s-1提高到超过20cm2 V-1s-1。基于传感器的OFET已用于检测各种生物分子、环境气体、生理信号，甚至制备仿生器官。
生物健康一直是一个热门话题，个人健康检测是生物健康领域的一个重要研究方向。特别是近年来，由于健康安全问题的频繁发生，越来越多的人将目光投向了医疗卫生领域。目前，定期体检是人们了解自身健康状况的主要方式，但这一方法周期长，无法用于实时监测自身健康状况。因此，为了更方便、快速、实时地获取自身的健康状况，越来越多的团队开始研发微型、便携式传感器通过非侵入性的方式从体液中获取数据，用于日常健康检测。其中，与唾液、眼泪、尿液等相比，汗液更容易获得，汗液离子检测具有较高的商业价值。汗液中含富含Ca2+、K+和Na+等，而离子敏感型OFET对Ca2+、K+和Na+都具有良好的敏感性。但是，OFET半导体层对水溶液的敏感性，这导致目前无法实现OFET传感器在水环境中稳定工作。有人提出采用交联聚合物代替传统的SiO2作为栅极介电层，同时引入稳定的p-沟道半导体(5,5'-双-(7-十二烷基-9H-芴-2-基)-2,2'-噻吩(DDFTTF))来制备可以在水性环境中稳定工作的OFET，但该方法需要复杂的制备过程。另一方面，传统的OFET检测方案需要使用探针台进行信号采集，设备体积较大。需要设计一款新的电路系统更好地接收测量信息并将其转换为电信号和其他必要的信号形式，满足实时信息传输、存储、处理和显示的要求。
因此，亟需设计一种能够在水环境下稳定工作的、小型化集成的智能离子检测方案，用于实时离子检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统及方法，通过设置扩展栅的结构，将感应栅电极与晶体管分离，实现对不同离子的浓度检测的同时避免了水溶液对检测结果的干扰，且操作简单。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，包括扩展栅型OFET及检测电路系统，所述扩展栅型OFET包括OFET单元器件、功能化的扩展栅，所述OFET单元器件、功能化的扩展栅间隔设置在同一基底上；所述OFET单元器件包括从上至下依次层叠设置的源/漏电极、半导体层、介电层及栅极，栅极设置在所述基底上，所述功能化的扩展栅与栅极电性连接，所述功能化的扩展栅通过离子交换膜进行功能化修饰，所述离子交换膜的类型由待检测溶液中的离子决定；检测时，待检测溶液滴加在所述功能化的扩展栅上，且完全覆盖所述功能化的扩展栅上；
所述FET单元器件和功能化的扩展栅通过柔性电路板与检测电路系统电性连接；所述检测电路系统用于为所述功能化的扩展栅提供扫描电压，为漏电极提供偏置电压，并获取所述栅极的电压，基于OFET单元器件的转移特性曲线确定离子浓度；所述OFET单元器件的转移特性曲线为OFET单元器件经过反复测试得到的栅极的电压和输出电流的关系曲线。
进一步的，所述功能化的扩展栅包括参比电极和工作电极，其中，所述工作电极表面通过离子交换膜进行功能化修饰，所述参比电极表面覆盖氯化银，通过聚乙烯醇缩丁醛的饱和氯化钠溶液修饰。
进一步的，所述源/漏电极选用单壁碳纳米管，所述半导体层选用茚并二噻吩共苯并噻二唑，所述介电层选用氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物H1052，所述栅极采用单壁碳纳米管，所述基底选用SEBS H1062基底。
进一步的，所述检测电路系统包括集成设置在同一电路板上的微控制器模块以及与微控制器模块电性连接的电源管理模块、DAC模块、ADC模块、OFET检测模块和信号传输模块，其中，所述微控制器模块用于实现对各模块的控制和通讯；所述电源管理模块用于为所述微控制器模块、所述ADC模块、所述DAC模块和所述信号传输模块供电；所述DAC模块用于以5V到-20V范围进行电压输出；所述ADC模块用于接收来自所述OFET检测模块的差分电压信号并进行模数转换，并通过SPI通讯方式将采集的信号传到微控制器模块；所述电路板上还设置晶体管电路接口，晶体管电路接口用于接入所述柔性电路板，所述晶体管电路接口与所述OFET检测模块电连接，所述OFET检测模块用于检测漏极输出电流；所述微控制器模块通过所述信号传输模块与外部通信。
进一步的，所述信号传输模块配置有蓝牙芯片，所述蓝牙芯片通过串口通讯方式进行外部通信；所述智能离子检测系统系统还包括远程控制终端，用于将蓝牙芯片实时传输的测量结果进行显示。
进一步的，所述柔性电路板分为三层：顶层、中间层和底层；所述顶层是封装层，用于减少环境因素对电信号传输的干扰；所述中间层配有铜线；所述底层仅在源/漏电极与功能化的扩展栅极之间的接触点处具有垂直导电沟道。
进一步的，所述待检测溶液为汗液，所述汗液中的离子包括钠离子、钙离子、钾离子。
进一步的，所述扩展栅型OFET是通过以下步骤得到的：
S1、制备基底、介电层、半导体层、源/漏电极、栅极：
先准备单面氧化的硅片，先后对其进行超声洗净、真空打氧、OTS修饰，得到修饰后的硅片；之后将溶于甲苯的SEBS H1062溶液滴加在修饰后的硅片上，用旋涂仪旋涂均匀，再经过真空退火得到SEBS H1062基底；
采用与制备SEBS H1062基底同样的方式，得到SEBS H1052介电层；
配制一定浓度的有机半导体溶液，将其刮涂在修饰后的单面抛光的n型掺杂硅片上，然后真空退火，获得IDTBT半导体层；
采用在硅片上方掩模喷涂的方法制备SWCNTs栅极和SWCNTs源/漏极；
S2、按照底栅/顶接触OFET的结构，将S1所制备的各层独立转移、层层叠加，得到OFET单元器件；
S3、制备功能化的扩展栅：采用在硅片上掩模喷涂SWCNTs的方法制备得到扩展栅，将其转移至SEBS H1062基底后，采用离子交换膜对其进行功能化修饰，得到功能化的扩展栅；
S4、将功能化的扩展栅与OFET单元器件的栅极电性连接，得到扩展栅型OFET。
本发明还提供了一种基于扩展栅型OFET的智能离子检测方法，应用于所述基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，其特征在于，包括以下步骤：
将待测溶液滴加在功能化的扩展栅上，保证完全覆盖所述功能化的扩展栅的参比电极和工作电极；
将栅极电压调为5V到-20V的扫描电压，漏极电压设置为-5V的偏置电压，源极接地；
通过检测电路模块根据OFET单元器件的转移特性曲线，输出离子浓度。
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述基于扩展栅型OFET的智能离子检测方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统及方法，，相较于传统离子检测器件的结构更简单、易集成，实现了小型化，且操作更简单方便，有良好的选择性响应，当离子浓度变化时呈现出优异的线性梯度变化。通过反复进行器件的转移特性曲线测试，保证器件处于稳定工作状态，减小了实验的测量误差。
本发明的测试方法简便，且反应灵敏，相较于传统OFET离子检测方案，它将OFET单元器件和功能化的扩展栅分离开，避免在晶体管工作期间受到溶液的干扰，测试结果更加可靠，对于不同浓度的离子具有优异的浓度梯度，并且耗材成本低廉，为可穿戴人体汗液离子检测提供一种新的途径。
本发明的功能化扩展栅使用不同离子交换膜修饰，可用于检测不同的离子，降低了检测成本；离子检测过程中能耗低；可以多次重复利用，重复利用率较高，适于大规模检测及产业化应用；采用引出栅的方案简化了器件结构的同时，避免水溶液对器件的影响；测量误差较小，为日常健康监测开辟一种新的方法；方便集成用于多通道的离子浓度进行实时检测；推进该满足实际应用要求的离子传感器的发展。总之，本发明在确保能在水环境下稳定工作的同时，实现精确、实时检测不同离子浓度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统的结构示意图；
图2为基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统的原理示意图；
图3为OFET单元器件多层结构的制备流程图；
图4为不同浓度Ca2+、K+和Na+分别对应的转移特性曲线，其中，图4-1、图4-2、图4-3分别表示不同浓度Ca2+、K+、Na+分别对应的转移特性曲线；
图5为Ca2+、K+和Na+的不同浓度与栅极电压之间的线性关系，其中，图5-1、图5-2、图5-3分别表示Ca2+、K+和Na+的浓度与栅极电压之间的线性关系；
图6为Ca2+、K+和Na+的特异性曲线，其中，图6-1、图6-2、图6-3分别表示Ca2+、K+和Na+的特异性曲线；
图7为利用加标法测量的Ca2+、K+和Na+的转移特性曲线，其中图7-1、7-2、7-3分别表示利用加标法测量的Ca2+、K+和Na+的转移特性曲线；
图8为利用加标法测量的Ca2+、K+和Na+线性拟合结果，其中图8-1、8-2、8-3分别表示利用加标法测量的Ca2+、K+和Na+线性拟合结果；
附图说明：1、OFET单元器件；1-1、源/漏电极；1-2、半导体层；1-3、介电层；1-4、栅极1-4；1-5、基底；2、功能化的扩展栅(修饰层)；2-1、工作电极；2-2、参比电极；3、检测电路系统；3-1、微控制器模块；3-2、电源管理模块；3-3、DAC模块；3-4、ADC模块；3-5、OFET检测模块；3-6、信号传输模块；3-7、晶体管电路接口；3-8、程序下载端口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统及方法，通过设置扩展栅的结构，将感应栅电极与晶体管分离，实现对不同离子的浓度检测的同时避免了水溶液对检测结果的干扰，且操作简单方便。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本发明的原理为：当功能化的扩展栅上的待测离子浓度发生变化时，检测电路系统接收到的电流信号也会发生相应变化，从而采集到不同的转移曲线。
如图1-2所示，本发明实施例提供的基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，包括扩展栅型OFET及检测电路系统3，所述扩展栅型OFET包括OFET单元器件1、功能化的扩展栅2，所述OFET单元器件1、功能化的扩展栅2间隔设置在同一基底上；所述OFET单元器件1包括从上至下依次层叠设置的源/漏电极1-1、半导体层1-2、介电层1-3及栅极1-4，栅极1-4设置在所述基底1-5上，所述功能化的扩展栅2与栅极1-4电性连接，所述功能化的扩展栅2通过离子交换膜进行功能化修饰，所述离子交换膜的类型由待检测溶液中的离子决定；检测时，待检测溶液滴加在所述功能化的扩展栅2上，且完全覆盖所述功能化的扩展栅2上。其中，源/漏电极1-1指的是源电极和漏电极。
所述FET单元器件1和功能化的扩展栅2通过柔性电路板(FPC)与检测电路系统3电性连接；所述检测电路系统3用于为所述功能化的扩展栅2提供扫描电压，为所述漏极提供偏置电压，并获取所述栅极的电压，基于OFET单元器件的转移特性曲线确定离子浓度；所述OFET单元器件1的转移特性曲线为OFET单元器件1经过反复测试得到的栅极电压和漏电极的输出电流的关系曲线。
本实施例中，所述功能化的扩展栅2包括2-2参比电极和2-1工作电极，其中，所述工作电极2-1的表面通过离子交换膜进行功能化修饰；所述参比电极2-2的表面覆盖银/氯化银，通过聚乙烯醇缩丁醛(PVB)的饱和氯化钠溶液修饰。本系统可以根据不同的待测离子选择不同的功能化方案(即不同的离子交换膜)。
本实施例中，所述源/漏电极1-1、半导体层1-2、介电层1-3及栅极1-4各层所选用的材料分别为单壁碳纳米管SWCNTs、茚并二噻吩共苯并噻二唑IDTBT、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物H1052(SEBS H1052)、单壁碳纳米管(SWCNTs)，所述基底选用SEBS H1062基底。扩展栅选用单壁碳纳米管，则功能化的扩展栅为离子交换膜功能化的单壁碳纳米管。所述基于扩展栅型有机场效应晶体管选用场效应特性优异的半导体材料——无定形共轭聚合物IDTBT，它是一种无定形共轭聚合物，与有机小分子相比，聚合物半导体具有更高的分子量、可控的分子结构、优越的机械柔韧性和良好的成膜能力。扩展栅选用十八烷基三氯硅烷OTS。
本实施例中，所述检测电路系统3包括集成设置在同一电路板上的微控制器3-1模块以及与微控制器模块3-1电性连接的电源管理模块3-2、DAC模块3-3、ADC模块3-4、OFET检测模块3-5和信号传输模块3-6，其中，所述微控制器模块用于实现对各模块的控制和通讯；所述电源管理模块用于为所述微控制器模块、所述ADC模块、所述DAC模块和所述信号传输模块3-6供电；所述DAC模块用于以5V到-20V范围进行电压输出；所述ADC模块用于接收来自所述OFET检测模块3-5的差分电压信号并进行模数转换，并通过SPI通讯方式将采集的信号传到微控制器3-1模块；所述电路板上还设置晶体管电路接口3-7，晶体管电路接口3-7用于接入所述柔性电路板，所述晶体管电路接口与所述OFET检测模块电连接，所述OFET检测模块3-5用于检测漏极输出电流；所述微控制器模块3-1通过所述信号传输模块3-6与外部通信。
本实施例中，信号传输模块3-6配置有蓝牙芯片，通过串口通讯方式与主控芯片通讯。所述系统还包括远程控制终端(手机APP端)，用于将蓝牙芯片实时传输的测量结果进行显示。
本实施例中，所述柔性电路板分为三层：顶层、中间层和底层；所述顶层是封装层，用于减少环境因素对电信号传输的干扰；所述中间层配有铜线；所述底层仅在源/漏电极与功能化的扩展栅极之间的接触点处具有垂直导电沟道。FPC和功能化的扩展栅以及源/漏电极的接触点均使用了3M(品牌名称)的垂直导电胶带。
本实施例中，所述扩展栅型OFET是通过以下步骤得到的：
S1、如图3所示，先制备SEBS H1062基底、SEBS H1052介电层、IDTBT半导体层、SWCNTs栅极、SWCNTs源/漏极，之后按照底栅/顶接触(BG/TC)有机场效应晶体管的结构，将所制备的各层独立转移，层层叠加，得到有机场效应晶体管单元器件，具体制备过程如下：
准备一片单面氧化的硅/二氧化硅，将其用去离子水、丙酮、异丙醇超声洗净后，在氧气室真空打氧，然后在真空干燥箱内进行OTS修饰。然后将溶有SEBS H1062甲苯溶液滴加在修饰之后的硅片上，用旋涂仪旋涂均匀。之后在100℃下真空退火10分钟获得SEBS H1062基底。采用同样的方案(SEBS H1052和H1062的制备方法仅拉伸性和电容存在区别，二者采用的工艺处理和最后状态相同)，获得SEBS H1052介电层。配制一定浓度的有机半导体溶液，将其刮涂在于OTS修饰的单面抛光的n型掺杂硅片上，其中刮涂台的温度为90℃，刮涂刀片的速率为4.7mm/s。然后在150℃下真空退火10分钟，获得IDTBT半导体层。栅极和源/漏电极的SWCNTs均采用在硅片上方掩模喷涂的方案制备，源/漏电极尺寸为20×50μm，相互平行，间隔为20μm。最后按照底栅/顶接触(BG/TC)有机场效应晶体管的结构，所制备的各层独立转移，层层叠加，得到可用于智能汗液离子的检测的OFET单元器件。
S2、制备功能化的扩展栅：参考栅极的制备方案，采用在硅片上掩模喷涂SWCNTs的方法制备得到扩展栅，将其转移至SEBS H1062基底后，采用离子交换膜对其进行功能化修饰，得到功能化的扩展栅。
S3、将功能化的扩展栅与OFET单元器件的栅极电性连接，得到扩展栅型OFET。
本实施例中，所述离子交换膜包括钙离子交换膜、钾离子交换膜、钠离子交换膜，不同离子交换膜的制备方法分别为：
钙离子交换膜：将100mg的质量比为33:0.5:65.5:1的聚氯乙烯、四硼酸钠、癸二酸二辛酯、钙离子载体II，溶解在660μL四氢呋喃溶液中，得到Ca2+离子交换膜；
钾离子交换膜：将100mg的质量比为32.7:0.6:64.7:2的聚氯乙烯、四苯硼钠、癸二酸二辛酯、缬氨霉素，溶解在660μL四氢呋喃溶液中，得到K+离子交换膜；
钠离子交换膜：将100mg的质量比为33:0.55:65.45:1的聚氯乙烯、四硼酸钠、癸二酸二辛酯、钠离子载体X，溶解在660μL四氢呋喃溶液中，得到Na+离子交换膜。
本实施例中，所述源/漏电极的尺寸为20×50μm，相互平行，间隔为20μm。
本实施例中，所述有机场效应晶体管的开关比达到104。我们将转移特性曲线电流最低点为器件的关闭状态，电流最高点(饱和状态即电流趋向于平缓状态)为开状态最大电流，计算得到最大开关比。开关比是反应器件对电流的调控能力，开关比越大，表示场效应晶体管的控制能力越强，控制电压变化范围越小，反之控制能力较弱，控制电压变化范围较大。
本实施例中，所述待检测溶液为汗液，所述汗液中的离子包括钠离子、钙离子、钾离子。所述基于扩展栅型有机场效应晶体管的输出电压和离子浓度具有线性关系，同时，适用于多种离子的检测。
本实施例中，显示模块可以为手机终端，检测结果可以通过蓝牙芯片在手机APP端实时显示。
实施例2
如图4-8所示，本实施例提供了一种基于扩展栅型OFET的智能离子检测方法，应用于实施例1所述的基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，包括以下步骤：
将待测溶液滴加在功能化的扩展栅上，保证完全覆盖所述功能化的扩展栅的参比电极和工作电极，此时，有机场效应晶体管的源/漏电极的电流信号通过FPC传输到检测电路系统；
将栅极电压调节为5V到-20V的扫描电压，间隔-1V；漏极电压设置为-5V的偏置电压，源极接地；
通过检测电路模块根据OFET单元器件的转移特性曲线(该转移特性曲线随离子浓度的变化而变化)，输出离子浓度。
根据人体的离子浓度范围，取待测Ca2+浓度0.1mM-10mM，取待测K+浓度0.1mM-100mM，取待测Na+浓度1mM-100mM。通过反复扫描获得多条转移特性曲线，然后分析转移特性曲线得出不同离子的响应灵敏度，为了进一步分析离子浓度和栅极电压的线性关系，取相同的漏极输出电流下，不同浓度的溶液对应的栅极电压，得到离子浓度和栅极电压的线性关系。而且本发明通过选择不同的漏极输出电流，使检测的灵敏度可调，不仅适用于人体汗液浓度范围的离子检测。
转移特性曲线测量结果分析：如图4所示，栅极电压调节为5V到-20V的扫描电压，间隔-1V；漏极电压设置为-5V的偏置电压，源极接地，改变待测溶液，进行转移特性曲线测量，得到分别对应Ca2+、K+和Na+在不同浓度下的转移特性曲线，发现OFET转移特性曲线中的漏极输出电流随栅极电压变化而变化。为了进一步了解器件的栅极电压和离子浓度的线性关系，分别在各自饱和区域取相同漏极输出电流，对电压和离子浓度的关系进行线性拟合，其中，Ca2+对应的漏极输出电流为-2×10-7A，K+对应的漏极输出电流为-4×10-8A，Na+对应的漏极输出电流为-4×10-8A，得到图5，可以发现基于功能化的扩展栅OFET单元器件对Ca2+、K+和Na+都具有良好的线性，即，当OFET单元器件工作在饱和区内，且漏极输出电流相同时，不同浓度的离子对应不同的栅极电压。
特异性分析：由于实际汗液检测中，Ca2+、K+和Na+同时存在，由于不同离子共同作用，会对特定离子检测结果产生干扰，如果干扰较大，会对测量结果产生不可逆的影响，所以本实施例对功能化的扩展栅OFET的特异性进行验证。证明检测到的信号变化是由于待测离子导致的，而非不同离子共同作用的结果。每次添加溶液的体积为50μL。参照汗液中CaCl2、KCl和NaCl离子的实际浓度，分别选用1mM、5mM和20mM的浓度进行比较。通过图6可以发现，本实施例制备的扩展栅型OFET具有良好的特异性。
测量误差分析：这里采用加标法定量分析所制备的器件的测量误差。在测试过程中，被测溶液的浓度为1mM，而标准溶液(标准溶液是指和被测溶液的溶质相同，但浓度不同的溶液)为20mM。首先，在功能化的扩展栅电极上加入200μL去离子水，以确定零浓度转移特性曲线。接下来，用等体积的被测溶液代替该去离子水，并绘制了一条新的传递特性曲线。然后，加入5μL标准溶液，并测试转移特性曲线。此步骤重复7次，忽略溶液体积的变化。测量结果会通过蓝牙模块实时传输到手机APP进行实时显示，并且手机APP会对数据进行处理。测量结果如图7所示，其中通过去离子水的得到的零浓度转移特性曲线的饱和漏极输出电流分别为-3.45×10-8A(Ca2+)、-9.25×10-8A(K+)和-6.00×10-8A(Na+)。图8显示的是这些测量数据传输到手机APP后的线性拟合结果。通过加标法测得Ca2+浓度为-1.039，测量浓度和实际浓度之间的误差为3.9％，这是由于不可避免的体积变化导致的。使用加标法测量的K+浓度为1.030mM，测量的浓度与实际浓度之间的误差为3.0％。使用加标法测量的Na+浓度为1.045mM，测量的浓度与实际浓度之间的误差为4.5％。
结果表明，漏极输出电流对Ca2+、K+和Na+分别有着非常灵敏的线性响应，且对不同离子均具有良好的选择性。
实施例3
本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例2所述的基于扩展栅型OFET的智能离子检测方法。
综上所述，本发明提出了一种基于扩展栅型有机场效应晶体管的智能离子检测的方法，可以用于检测离子的种类及其浓度，摆脱了传统OFET测试结构复杂，且容易受水环境影响的问题。测试过程中稳定性优异，测试结构简单，耗材成本低廉，引出栅的结构便于集成和多通道检测。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值，这意味所制备的OFET可以作为一种低成本的电子设备，将为医疗诊断和日常健康监测开辟一种新的方法。
在本实施例中的其余技术特征，本领域技术人员均可以根据实际情况进行灵活选用以满足不同的具体实际需求。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的组成，结构或部件，均在本发明的权利要求书请求保护的技术方案限定技术保护范围之内。
本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。在以上描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的技术，例如具体的施工细节，作业条件和其他的技术条件等。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，其特征在于，包括扩展栅型OFET及检测电路系统，所述扩展栅型OFET包括OFET单元器件、功能化的扩展栅，所述OFET单元器件、功能化的扩展栅间隔设置在同一基底上；所述OFET单元器件包括从上至下依次层叠设置的源/漏电极、半导体层、介电层及栅极，栅极设置在所述基底上，所述功能化的扩展栅与栅极电性连接，所述功能化的扩展栅通过离子交换膜进行功能化修饰，所述离子交换膜的类型由待检测溶液中的离子决定；检测时，待检测溶液滴加在所述功能化的扩展栅上，且完全覆盖所述功能化的扩展栅上；
所述OFET单元器件和功能化的扩展栅通过柔性电路板与检测电路系统电性连接；所述检测电路系统用于为所述功能化的扩展栅提供扫描电压，为漏电极提供偏置电压，并获取所述栅极的电压，基于OFET单元器件的转移特性曲线确定离子浓度；所述OFET单元器件的转移特性曲线为OFET单元器件经过反复测试得到的栅极的电压和输出电流的关系曲线。
2.根据权利要求1所述的基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，其特征在于，所述功能化的扩展栅包括参比电极和工作电极，其中，所述工作电极表面通过离子交换膜进行功能化修饰，所述参比电极表面覆盖氯化银，通过聚乙烯醇缩丁醛的饱和氯化钠溶液修饰。
3.根据权利要求1所述的基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，其特征在于，所述源/漏电极选用单壁碳纳米管，所述半导体层选用茚并二噻吩共苯并噻二唑，所述介电层选用氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物H1052，所述栅极采用单壁碳纳米管，所述基底选用SEBSH1062基底。
4.根据权利要求1所述的基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，其特征在于，所述检测电路系统包括集成设置在同一电路板上的微控制器模块以及与微控制器模块电性连接的电源管理模块、DAC模块、ADC模块、OFET检测模块和信号传输模块，其中，所述微控制器模块用于实现对各模块的控制和通讯；所述电源管理模块用于为所述微控制器模块、所述ADC模块、所述DAC模块和所述信号传输模块供电；所述DAC模块用于以5V到-20V范围进行电压输出；所述ADC模块用于接收来自所述OFET检测模块的差分电压信号并进行模数转换，并通过SPI通讯方式将采集的信号传到微控制器模块；所述电路板上还设置晶体管电路接口，晶体管电路接口用于接入所述柔性电路板，所述晶体管电路接口与所述OFET检测模块电连接，所述OFET检测模块用于检测漏极输出电流；所述微控制器模块通过所述信号传输模块与外部通信。
5.根据权利要求4所述的基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，其特征在于，所述信号传输模块配置有蓝牙芯片，所述蓝牙芯片通过串口通讯方式进行外部通信；所述智能离子检测系统系统还包括远程控制终端，用于将蓝牙芯片实时传输的测量结果进行显示。
6.根据权利要求1所述的基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，其特征在于，所述柔性电路板分为三层：顶层、中间层和底层；所述顶层是封装层，用于减少环境因素对电信号传输的干扰；所述中间层配有铜线；所述底层仅在源/漏电极与功能化的扩展栅极之间的接触点处具有垂直导电沟道。
7.根据权利要求1所述的基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，其特征在于，所述待检测溶液为汗液，所述汗液中的离子包括钠离子、钙离子、钾离子。
8.根据权利要求1所述的基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，其特征在于，所述扩展栅型OFET是通过以下步骤得到的：
S1、制备基底、介电层、半导体层、源/漏电极、栅极：
先准备单面氧化的硅片，对其进行超声洗净、真空打氧、OTS修饰，得到修饰后的硅片；之后将溶于甲苯的SEBS H1062溶液滴加在修饰后的硅片上，用旋涂仪旋涂均匀，再经过真空退火得到SEBS H1062基底；
采用与制备SEBS H1062基底同样的方式，得到SEBS H1052介电层；
配制一定浓度的有机半导体溶液，将其刮涂在修饰后的单面抛光的n型掺杂硅片上，然后真空退火，获得IDTBT半导体层；
采用在硅片上方掩模喷涂的方法制备SWCNTs栅极和SWCNTs源/漏极；
S2、按照底栅/顶接触OFET的结构，将S1所制备的各层独立转移、层层叠加，得到OFET单元器件；
S3、制备功能化的扩展栅：采用在硅片上掩模喷涂SWCNTs的方法制备得到扩展栅，将其转移至SEBS H1062基底后，采用离子交换膜对其进行功能化修饰，得到功能化的扩展栅；
S4、将功能化的扩展栅与OFET单元器件的栅极电性连接，得到扩展栅型OFET。
9.一种基于扩展栅型OFET的智能离子检测方法，应用于权利要求1-8任一项所述的基于扩展栅型OFET的智能离子检测系统，其特征在于，包括以下步骤：
将待测溶液滴加在功能化的扩展栅上，保证完全覆盖所述功能化的扩展栅的参比电极和工作电极；
将栅极电压调为5V到-20V的扫描电压，漏极电压设置为-5V的偏置电压，源极接地；
通过检测电路模块根据OFET单元器件的转移特性曲线，输出离子浓度。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求9所述的基于扩展栅型OFET的智能离子检测方法。
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118655203A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119044284A (zh) * | 2024-10-30 | 2024-11-29 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种柔性可拉伸的延伸栅极有机场效应晶体管传感器件 |
| CN119246637A (zh) * | 2024-09-26 | 2025-01-03 | 天津大学 | 基于有机场效应晶体管的电活性物质检测装置及制备方法 |
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2024
- 2024-06-13 CN CN202410758241.6A patent/CN118655203A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119246637A (zh) * | 2024-09-26 | 2025-01-03 | 天津大学 | 基于有机场效应晶体管的电活性物质检测装置及制备方法 |
| CN119044284A (zh) * | 2024-10-30 | 2024-11-29 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种柔性可拉伸的延伸栅极有机场效应晶体管传感器件 |
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