全织物柔性触觉神经器件及其制备方法

1.本发明属于人机交互领域或神经形态器件技术领域，尤其涉及一种全织物柔性触觉神经器件及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，可穿戴柔性/可拉伸电子器件凭借其在电子皮肤领域的广泛应用前景受到了研究者们的关注，如用于实时生理信号监测、健康评估、人机交互和虚拟现实等。其中，柔性触觉神经是集柔性电子学、器件物理、材料学和仿生学的交叉前沿研究领域，作为表皮电子和人体神经网路的软交互界面，触觉功能神经电子的设计实现及功能化就显得尤为重要，如实现高柔软性、高仿生性和高密度性等。
3.以柔性突触电子器件为代表的神经形态电子技术的不断发展促进了人工感觉神经系统的发展，并实现了神经脉冲形式的仿生信号处理。然而，突触电子器件通常需要额外的计算或处理元件，且触觉识别往往借助于离线模拟或机器学习等软件手段。可穿戴传感器件和无线传感网络的未来发展需要边缘端、近传感端的硬件智能，以满足高密度、低延迟、高性能、低计算资源的实时传感需求。
4.纺织品具有其独特的特性，如重量轻、透气性好、表面粗糙度大、耐磨以及保暖舒适，使得其特别适合于可穿戴传感器件。最近研究者们提出用一种制备基于全织物柔性压力传感器，虽然这种器件能够区分触觉模式，但该器件缺乏识别和认知触觉所需的学习能力。究其原因在于现有技术中的柔性触觉神经器件因为制备工艺以及结构设计的问题无法做到精密的触觉感知；以及现有技术中压力敏感层无法实现对触觉信号的高精度感知和传导。基于有机电化学晶体管的柔性触觉神经器件可以解决上述问题，因此将有机电化学晶体管和全织物柔性触觉神经器结合不但可以解决上述问题还保留纺织品的独特优势。
5.相对于柔性oled材料成本高、生产工艺复杂、大屏良率低。lcd不仅成本低、生产工艺简单而且使用寿命长。但实现柔性可触控lcd一直是个问题，特别是tft部分。
6.所以研发出一种全织物柔性触觉神经器件及其制备方法来解决上述问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了全织物柔性触觉神经器件及其制备方法。
8.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
9.全织物柔性触觉神经器件，包括从下到上依次布设的柔性衬底、柔性源漏电极、聚合物半导体层、凝胶电解质层、柔性栅极、顶封装层。
10.优选地，柔性衬底为无纺织物制备而成，厚度范围为1～10μm。
11.优选地，柔性源漏电极、柔性栅极均由au制备而成，厚度范围均为50～100nm。
12.优选地，聚合物半导体层是由离子-电子耦合传输性能材料和无纺织物混合制备而成。
13.进一步地，聚合物半导体层是由p3ht或dpp-dtt中的一种与基于聚苯胺复合织物混合制备而成，厚度范围为20～100nm。
14.优选地，凝胶电解质层为pvdf-hfp和基于银纳米线复合织物混合制备而成，厚度范围为5～20μm。
15.优选地，顶封装层为无纺织物混合制备而成，厚度范围为50～100nm。
16.全织物柔性触觉神经器件的制备方法，包括以下步骤：
17.s1、在柔性衬底上覆盖预先设计的金属掩模版，通过热蒸镀的方式制备柔性源漏电极；
18.s2、通过浸涂的方法使银纳米线包裹在织物纤维表面制备银纳米线复合织物；通过在纤维表面上原位聚合制备聚苯胺复合织物；
19.s3、旋涂、喷涂或印刷聚合物材料，通过高精度光刻技术进行功能层图案化，在柔性源漏电极对应工作区域获得高分辨率的半导体图案；
20.s4、制备不同微结构的凝胶电解质；
21.s5、转印微结构化的凝胶电解质到半导体上方；
22.s6、在转印微结构化的凝胶电解质上方热蒸镀栅电极；
23.s7、在制备好的器件顶层旋涂封装层并固化。
24.优选地，在步骤s1中，柔性源漏电极的蒸镀厚度为50-100nm；高分辨率的半导体图案精度为50μm以下。
25.优选地，在步骤s4中，微结构为圆柱型、金字塔型、球型中的一种。
26.本发明的有益效果在于：
27.1、通过无纺织物制备柔性衬底和顶封装层，使器件具有柔软舒适、易穿戴、耐洗涤、材料可再生等优势。
28.2、通过使用添加了基于聚苯胺复合织物的聚合物半导体薄膜，具有纺织品其独特的特性，如重量轻、透气性好、表面粗糙度大、耐磨以及保暖舒适性能，使得其特别适合于可穿戴传感器件；具备聚苯胺复合织物的宽线性范围、超高灵敏度、低检测限和高稳定性；还具有有机聚合物半导体层调控离子-电子的耦合传输特性，使器件具备脉冲易化特性和感觉记忆特性，实现了人类感觉神经中触觉信息的神经编码和神经处理；使其具备应用于智能机器人、人机交互和元宇宙等前沿领域的广泛前景，并为进一步发展高密度集成的柔性神经感存算器件打下夯实基础。
29.3、基于银纳米线复合织物混合制备的凝胶电解质层模板，通过转印的方式实现具有微结构的压力敏感层，由于凝胶微结构在压力作用下与沟道面积接触增强和银纳米复合织物的高灵敏度，能利于电化学晶体管器件对触觉信号的放大，从而实现对触觉信号的高精度感知和传导。
附图说明
30.图1为本发明中全织物柔性触觉神经器件的结构示意图；
31.图2为神经突触器件阵列的结构示意图；
32.图中：1、柔性衬底，2、柔性源漏电极，3、聚合物半导体层，4、凝胶电解质层，5、柔性栅极，6、顶封装层。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
34.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
35.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
40.如图1所示，全织物柔性触觉神经器件，包括从下到上依次布设的柔性衬底1、柔性源漏电极2、聚合物半导体层3、凝胶电解质层4、柔性栅极5、顶封装层6。
41.优选地，柔性衬底1为无纺织物制备而成，厚度范围为1～10μm。
42.柔性源漏电极2、柔性栅极5均由au制备而成，厚度范围均为50～100nm。
43.聚合物半导体层3是由离子-电子耦合传输性能材料和无纺织物混合制备而成。优选为，聚合物半导体层3是由p3ht或dpp-dtt中的一种与基于聚苯胺复合织物混合制备而成，厚度范围为20～100nm。
44.凝胶电解质层4为pvdf-hfp和基于银纳米线复合织物混合制备而成，厚度范围为5～20μm。
45.顶封装层6为无纺织物混合制备而成，厚度范围为50～100nm。
46.全织物柔性触觉神经器件的制备方法，包括以下步骤：
47.s1、在柔性衬底1上覆盖预先设计的金属掩模版，通过热蒸镀的方式制备柔性源漏电极2；柔性源漏电极2的蒸镀厚度为50-100nm；高分辨率的半导体图案精度为50μm以下；
48.s2、通过浸涂的方法使银纳米线包裹在织物纤维表面制备银纳米线复合织物；通过在纤维表面上原位聚合制备聚苯胺复合织物；
49.s3、旋涂、喷涂或印刷聚合物材料，通过高精度光刻技术进行功能层图案化，在柔性源漏电极2对应工作区域获得高分辨率的半导体图案；
50.s4、制备不同微结构的凝胶电解质；微结构为圆柱型、金字塔型、球型中的一种；
51.s5、转印微结构化的凝胶电解质到半导体上方；
52.s6、在转印微结构化的凝胶电解质上方热蒸镀栅电极；
53.s7、在制备好的器件顶层旋涂封装层并固化。
54.实施例1：
55.1.在无纺织物柔性衬底上覆盖预先设计的金属掩模版，通过热蒸镀的方式制备源漏电极，厚度为50nm；
56.2.在柔性衬底上旋涂p3ht或dpp-dtt中的一种与基于聚苯胺复合织物混合材料(3000 rpm, 30s)，其中半导体材料中加入30%质量比印制离子传输的pmma聚合物，并进行光刻图案化（光照条件：365 nm，30s，显影剂：三氯甲烷）；
57.3.滴涂10ul电解质溶液（pvdf-hfp:银纳米线复合织物, 质量比为10:1）到金字塔型微结构模板上，然后进行烘干(60℃, 4h)完成凝胶电解质的制备，然后将电解质剥离转印至半导体上；
58.4.在制备的元件上覆盖掩模版，热蒸镀栅电极；
59.5.在上述工艺基础上旋涂超薄无纺织物封装层(3000 rpm, 60s)，然后进行烘干(60℃, 1h)完成触觉神经器件的制备；
60.如图2所示，实施例2：
61.1.在无纺织物柔性衬底上覆盖预先设计的金属阵列掩模版，通过热蒸镀的方式制备源漏电极阵列，厚度为50nm，阵列密度为20*20个cm2；
62.2.在柔性衬底上旋涂p3ht或dpp-dtt中的一种与基于聚苯胺复合织物混合材料(3000rpm,30s)，其中半导体材料中加入30%质量比印制离子传输的pmma聚合物，并进行光刻图案化（光照条件：365nm，30s，显影剂：三氯甲烷）；
63.3.滴涂10ul电解质溶液（pvdf-hfp:银纳米线复合织物，质量比为10:1）到金字塔型微结构模板上，然后进行烘干(60℃,4h)完成凝胶电解质的制备，然后将电解质剥离转印至半导体上；
64.4.在制备的元件上覆盖掩模版，热蒸镀栅电极；
65.5.在上述工艺基础上旋涂超薄无纺织物封装层(3000rpm,60s)，然后进行烘干(60℃,1h)完成触觉神经器件阵列的制备；
66.基于有机电化学晶体管结构的全织物柔性触觉神经的制备方法，通过对添加基于银纳米线复合织物的凝胶电解质微结构的优化，其对于压力信号的灵敏度连续提升变大，在此基础上通过调控制备半导体薄膜的传输特性，半导体活性层的离子-电子耦合传输特性，可以改善器件的触觉神经形态功能及提升对触觉信号的学习能力，使其具备优异的触觉神经形态功能；纺织品其独特的特性，使其具有重量轻、透气性好、表面粗糙度大、耐磨以及保暖舒适性能，使得其特别适合于可穿戴传感器件，使其在柔性电子神经形态器件领域具备广泛的应用前景。
67.特别是基于有机电化学晶体管结构的全织物柔性触控lcd具备可触控、可弯曲、可折叠且具有知觉学习能力，将应用于包括了智能家居（比如智能音箱、咖啡机这些可能需要
特定形状屏幕的设备）、汽车（融入内饰设计的多个曲面屏幕）、笔记本/平板（对折边缘，可以实现无边框屏幕）、机器人、可穿戴设备（如屏幕环绕手腕的智能手表）、大屏应用（如电视、零售领域推广用的屏幕等）。
68.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.全织物柔性触觉神经器件，其特征在于，包括从下到上依次布设的柔性衬底、柔性源漏电极、聚合物半导体层、凝胶电解质层、柔性栅极、顶封装层。2.根据权利要求1所述的全织物柔性触觉神经器件，其特征在于，柔性衬底为无纺织物制备而成，厚度范围为1～10μm。3.根据权利要求1所述的全织物柔性触觉神经器件，其特征在于，柔性源漏电极、柔性栅极均由au制备而成，厚度范围均为50～100nm。4.根据权利要求1所述的全织物柔性触觉神经器件，其特征在于，聚合物半导体层是由离子-电子耦合传输性能材料和无纺织物混合制备而成。5.根据权利要求4所述的全织物柔性触觉神经器件，其特征在于，聚合物半导体层是由p3ht或dpp-dtt中的一种与基于聚苯胺复合织物混合制备而成，厚度范围为20～100nm。6.根据权利要求1所述的全织物柔性触觉神经器件，其特征在于，凝胶电解质层为pvdf-hfp和基于银纳米线复合织物混合制备而成，厚度范围为5～20μm。7.根据权利要求1所述的全织物柔性触觉神经器件，其特征在于，顶封装层为无纺织物混合制备而成，厚度范围为50～100nm。8.全织物柔性触觉神经器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、在柔性衬底上覆盖预先设计的金属掩模版，通过热蒸镀的方式制备柔性源漏电极；s2、通过浸涂的方法使银纳米线包裹在织物纤维表面制备银纳米线复合织物；通过在纤维表面上原位聚合制备聚苯胺复合织物；s3、旋涂、喷涂或印刷聚合物材料，通过高精度光刻技术进行功能层图案化，在柔性源漏电极对应工作区域获得高分辨率的半导体图案；s4、制备不同微结构的凝胶电解质；s5、转印微结构化的凝胶电解质到半导体上方；s6、在转印微结构化的凝胶电解质上方热蒸镀栅电极；s7、在制备好的器件顶层旋涂封装层并固化。9.根据权利要求8所述的全织物柔性触觉神经器件的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，柔性源漏电极的蒸镀厚度为50-100nm；高分辨率的半导体图案精度为50μm以下。10.根据权利要求8所述的全织物柔性触觉神经器件的制备方法，其特征在于，在步骤s4中，微结构为圆柱型、金字塔型、球型中的一种。

技术总结
本发明公开了一种全织物柔性触觉神经器件及其制备方法，包括从下到上依次布设的柔性衬底、柔性源漏电极、聚合物半导体层、凝胶电解质层、柔性栅极、顶封装层；本申请中通过无纺织物制备柔性衬底和顶封装层，使器件具有柔软舒适、易穿戴、耐洗涤、材料可再生等优势；由于凝胶微结构在压力作用下与沟道面积接触增强和银纳米复合织物的高灵敏度，能利于电化学晶体管器件对触觉信号的放大，从而实现对触觉信号的高精度感知和传导；通过使用添加了基于聚苯胺复合织物的聚合物半导体薄膜的有机聚合物半导体层调控离子-电子的耦合传输特性，使器件具备脉冲易化特性和感觉记忆特性，实现了人类感觉神经中触觉信息的神经编码和神经处理。类感觉神经中触觉信息的神经编码和神经处理。类感觉神经中触觉信息的神经编码和神经处理。


技术研发人员：钟建 谭桂林 张嵩 刘家璇
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/9