在可穿戴健康監測、軟體機器人和電子皮膚等應用中，柔性可拉伸的電子器件與剛性器件相比具有許多優勢。與穿戴表面親密接觸的能力可以提高可穿戴設備的傳感能力和舒適度。柔性壓力傳感器是可穿戴電子設備和觸覺接口的關鍵技術。壓敏晶體管的制造提供了將傳感和矩陣讀出特性結合起來的機會。然而，通常需要在壓力敏感性、制造復雜性和機械彈性方面進行權衡。

據麥姆斯咨詢報道，近日，北卡羅萊納州立大學（North Carolina State University）的研究人員開發了一種基于全溶液處理的受剪紙藝術（Kirigami）啟發的基于可拉伸有機薄膜晶體管（OTFT）的壓力傳感器陣列。OTFT集成了幾種新穎的加工和設計策略，包括部分嵌入聚酰亞胺（PI）基質中的電流體動力學（EHD）噴墨打印的銀（Ag）納米線（NW）電極。EHD打印提供了精細的圖案控制，NW/PI復合材料提高了機械穩定性。通過呼吸圖法制造的多孔苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）柵極電介質，使OTFT具有壓敏性。控制孔隙密度以實現可調的壓力靈敏度。OTFT在小彎曲半徑（1 mm）下仍能保持性能，并且可感測0.75至25 kPa的施加壓力。最后，在襯底中引入切割圖案，在保持壓力傳感器功能的同時賦予可拉伸性。這項工作中介紹的設計特征和處理方法的結合，使機械彈性可拉伸壓力傳感器的開發成為可能。

在本項研究工作中，OTFT的制造工藝從EHD在玻璃基板上打印Ag NW開始。然后，將沉積的Ag NW浸泡在去離子水（DI）中以去除油墨中用于改善印刷和提高導電性的聚環氧乙烷（PEO）。經過漂洗后，將PI旋涂在玻璃上，以獲得約5 μm厚的Ag NW/PI復合材料。之后，將Ag NW/PI復合材料從玻璃基板上剝離，得到光滑的頂表面，Ag NW部分暴露在表面上，從而與相鄰層產生低接觸電阻。隨后制造底部柵極和頂部接觸，首先在聚二甲基硅氧烷（PDMS）支撐物上層壓Ag NW/PI復合柵電極，然后將SEBS電介質層旋涂在涂有聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）的玻璃襯底上，隨后將其層壓在Ag NW/PI復合材料上，并將疊層浸入水中。在PSS溶解后，SEBS電介質層被轉移到Ag NW/PI襯底上，進一步將該復合物從水中取出并干燥。最后，源極/漏極采用與柵極復合材料相同的方法進行處理，并將其層壓在半導體薄膜上以完成OTFT的制造。

OTFT制造工藝

研究人員在OTFT陣列的襯底中引入了一種受Kirigami啟發的切割圖案。該切割圖案允許襯底在施加的應變下拉伸，同時使OTFT和電引線上的局部應變最小化。因此，與固有可拉伸晶體管相比，將Kirigami圖案應用于OTFT有利于減少遷移率和大應變下的電流-電壓特性變化。

Kirigami圖案化的可拉伸OTFT

OTFT由于包含多孔SEBS電介質層而具有壓力傳感能力。孔隙密度可以通過控制呼吸圖法中使用的處理時間或濕度來調節。低密度可以有效地調節OTFT的壓力靈敏度和壓力感測的功能范圍。實驗結果表明，多孔密度薄膜可以感測0.75 - 25 kPa的大范圍壓力。對于概念驗證應用，研究人員展示了一個3 × 3壓力傳感器陣列，它采用了多孔SEBS和受Kirigami啟發的圖案化襯底。使用相同的EHD打印工藝制造Ag NW/PI電極，并且具有改進的圖案。在無應變和施加應變的情況下，該陣列精確地再現了施加的壓力圖案。

3 × 3壓力傳感器陣列

總的來說，研究人員展示了采用EHD印刷電極和多孔電介質層的高性能柔性可拉伸OTFT和基于OTFT的壓力傳感器。EHD打印被證明是一種有效的非接觸方法，可以打印明確的Ag NW，用作柵極和源極-漏極。通過將Ag NW部分嵌入PI襯底中，發現電極具有高度柔性和機械魯棒性。所展示的柔性OTFT在彎曲半徑為1 mm的200次彎曲循環中具有穩定的性能。受Kirigami啟發的可拉伸OTFT表現出與柔性OTFT相同的性能，在重復拉伸50%時保持初始性能。通過使用呼吸圖法形成多孔彈性體柵極電介質層來引入壓力敏感性。孔隙密度可以通過改變呼吸圖法過程中的濕度和處理時間來控制。通過控制SEBS中的孔密度，壓力傳感器的靈敏度和壓力傳感范圍是可調的。然后，通過在柔性襯底中應用Kirigami啟發的切割圖案，可以使壓力傳感OTFT可拉伸。最后，研究人員展示了一種可拉伸的3 × 3壓力傳感器陣列，該陣列采用了多孔SEBS和受Kirigami啟發的圖案化襯底。這是可拉伸OTFT壓力傳感器的首次演示。這是使用完全溶液處理的直寫圖案化器件來實現的。多孔彈性體電介質層具有可調的壓力靈敏度和與相鄰層的良好粘附性，為實現機械堅固、完全溶液處理、可拉伸的壓力傳感器提供了一種簡單有效的方法。

審核編輯：劉清