一种柔性人工嗅觉突触及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种柔性人工嗅觉突触及其制备方法，属于生物检测及医学检测技术领域。

背景技术

人的大脑是一个及其高效的计算系统，由约1011个神经元和约1015个突触组成。凭借其平行互联的结构，大脑能够以一种高效的方式将信号处理、记忆和学习结合在一起，从而处理大量的复杂信息。受人脑的启发，基于仿神经形态的人工感知电子器件可以对外部刺激(如压力、光线、气味等)做出反应，模仿生物神经系统的行为(包括感知和记忆功能)。在生物系统中，信息通过传达电或化学信号从前神经元的突触转移到后神经元的突触。神经元之间连接效率的变化被称为突触可塑性，这被认为是学习和记忆的基础。在器件层面上实现突触可塑性使人工突触电子能够模仿神经生物学行为，已被报道的工作包括能够同时实现触觉感知和记忆功能的电子皮肤(E-skins)，实现现实生活场景中视觉自我调整的人工视神经突触和能够进行跨模式识别和想象的双模式突触等。

嗅觉系统是一个及其重要的感觉系统，它能识别大量的气味分子，赋予人类感知周围环境、评价食物和识别潜在危险的能力。生物嗅觉识别过程始于吸入的气味剂与位于鼻背的嗅觉上皮细胞中外围感觉神经元的嗅觉受体之间的化学作用。由此产生的电信号被传送到主嗅球的邻近神经元，在那里信息被预先编码，然后被传送到嗅觉皮层以进一步解读。嗅球在嗅觉系统中起着重要作用，因为它表现出神经可塑性，对嗅觉学习和记忆至关重要。模仿嗅觉功能的电子器件如电子鼻(E-noses)，具有出色的气味识别和高精确度。然而，整合嗅觉感知和记忆功能的突触嗅觉电子却很少被提出。

有机电化学晶体管(OECTs)凭借其高效的离子-电子转换、低工作电压(≤1V)和良好的生物相容性，是人工突触设备出色的候选器件。掺有聚苯乙烯磺酸的导电聚合物(PEDOT:PSS)代表了一种典型的OECTs有机沟道材料。由于PEDOT:PSS通道内电压控制的离子注入和提取与神经递质在突触裂隙中的释放和吸收相类似，基于PEDOT:PSS的有机电化学晶体管已经成功地被证明具有神经形态功能，包括突触可塑性和神经形态计算等。

硫化氢(H

发明内容

发明要解决的问题

基于现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种柔性人工嗅觉突触及其制备方法，本发明的柔性人工嗅觉突触显示了对H

用于解决问题的方案

本发明提供一种柔性人工嗅觉突触，包括：

基底，所述基底由聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜形成；

电极，所述电极包括栅极，源极和漏极，所述电极形成于所述基底上；

有机沟道，所述有机沟道是由聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)形成，所述有机沟道形成于所述基底上；

多孔固态电解质，所述多孔固态电解质至少部分地包覆在所述基底表面。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触，其中，所述栅极、源极、漏极由铬层和金层形成。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触，其中，所述多孔固态电解质由聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐形成。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触，其中，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的厚度为100-200μm。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触，其中，所述电极的厚度为铬层5-15nm，金层80-150nm。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触，其中，所述多孔固态电解质的厚度为30-100μm。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触，其中，所述多孔固态电解质的孔径为1-3μm。

本发明还提供一种根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触的制备方法，其包括如下步骤：

将聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜作为基底贴附在涂有聚二甲基硅氧烷的玻璃片上；

所述基底经磁控溅射和光刻形成栅极、源极、漏极；

将聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)旋涂至所述基底之上，退火，然后通过光刻工艺和反应离子刻蚀形成有机沟道，得到基础器件；

将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐的共混物旋涂在基础器件表面，获得多孔固态电解质；

将基础器件从玻璃片上机械剥离，得到柔性人工嗅觉突触。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触的制备方法，其中，在相对湿度60％-80％下进行旋涂，获得多孔固态电解质。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触的制备方法，其中，将聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)旋涂至所述基底之上，在100-150℃下退火30-60min。

发明的效果

本发明的柔性人工嗅觉突触对H

附图说明

图1本发明的柔性人工嗅觉突触的制备方法的过程示意图。

图2本发明的柔性人工嗅觉突触的工作原理示意图。

图3本发明实施例1的柔性仿生嗅觉突触-I的传感性能测试结果图。

图4本发明实施例1的柔性仿生嗅觉突触-I的弯曲性能测试结果图。

图5本发明实施例1的柔性人工嗅觉突触-I的痕量H

图6本发明实施例1的柔性人工嗅觉突触-I的H2S(1-100ppm)介导的仿生嗅觉突触可塑性测试结果

具体实施方式

以下，针对本发明的内容进行详细说明。以下所记载的技术特征的说明基于本发明的代表性的实施方案、具体例子而进行，但本发明不限定于这些实施方案、具体例子。需要说明的是：

本说明书中，使用“数值A～数值B”表示的数值范围是指包含端点数值A、B的范围。

本说明书中，如没有特殊声明，则“多”、“多种”、“多个”等中的“多”表示2或以上的数值。

本说明书中，所述“基本上”、“大体上”或“实质上”表示于相关的完美标准或理论标准相比，误差在5％以下，或3％以下或1％以下。

本说明书中，如没有特别说明，则“％”均表示质量百分含量。

本说明书中，使用“可以”表示的含义包括了进行某种处理以及不进行某种处理两方面的含义。

本说明书中，“任选的”或“任选地”是指接下来描述的事件或情况可发生或可不发生，并且该描述包括该事件发生的情况和该事件不发生的情况。

本说明书中，所提及的“一些具体/优选的实施方案”、“另一些具体/优选的实施方案”、“实施方案”等是指所描述的与该实施方案有关的特定要素(例如，特征、结构、性质和/或特性)包括在此处所述的至少一种实施方案中，并且可存在于其它实施方案中或者可不存在于其它实施方案中。另外，应理解，所述要素可以任何合适的方式组合在各种实施方案中。

本发明提供一种柔性人工嗅觉突触，包括：

基底，所述基底由聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜形成；

电极，所述电极包括栅极，源极和漏极，所述电极形成于所述基底上；

有机沟道，所述有机沟道是由聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)形成，所述有机沟道形成于所述基底上；

多孔固态电解质，所述多孔固态电解质至少部分地包覆在所述基底表面。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触，其中，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的厚度为1～3微米。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触，其中，所述栅极、源极、漏极由铬层和金层形成。

采用层叠结构的电极中，Cr层主要用作粘附层，提高金层与基底之间的粘附性。Au层作为功能层，Au的功函数和聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)接近，能够形成欧姆接触，在本发明的柔性人工嗅觉突触中Au主要起到导电的作用，且其电化学、机械性能稳定。适用上述电极结构，可以防止金属与基底粘附性不佳导致电极易脱落，同时防止所制备的传感器的灵敏度和稳定性的降低。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触，其中，所述多孔固态电解质由聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐形成。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触，其中，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的厚度为100-200μm。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触，其中，所述电极的厚度为铬层5-15nm，金层80-150nm。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触，其中，所述多孔固态电解质的厚度为30-100μm，进一步优选地，多孔固态电解质的孔径为1-3μm。

如图2所示，本发明的柔性人工嗅觉突触借鉴人体嗅觉机理和系统架构，气体分子与上皮细胞中的特异性受体结合，受体被激活产生一种动作电位信号，该信号随后传递至嗅球中，信息在嗅球中进一步编译和解码。本发明借鉴上述机理和架构，晶体管栅极和耦合的多孔固态电解质类似于突触前结构域，漏极和源极之间的PEDOT：PSS有机沟道类似于突触后结构域，通过多孔固态电解质中阳离子的注入和提取对PEDOT：PSS进行电化学掺杂和去掺杂来模拟神经递质的释放和摄取，构建模拟生物嗅觉结构的仿生人工嗅觉突触，可实现具有嗅觉信息感知、传递、存储等功能的柔性仿生嗅觉系统。

本发明还提供一种本发明所述的柔性人工嗅觉突触的制备方法，其包括如下步骤：

将聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜作为基底贴附在涂有聚二甲基硅氧烷的玻璃片上；

所述基底经磁控溅射和光刻形成栅极、源极、漏极；

所述基底经磁控溅射和光刻形成栅极、源极、漏极；优选地，磁控溅射形成栅极、源极、漏极时，溅射电压为350-400V，工作电流为0.03-0.09A，溅射速率为

将聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)旋涂至所述基底之上，退火，然后通过光刻工艺和反应离子刻蚀形成有机沟道，得到基础器件；

优选地，将聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)涂覆至所述基底之上，退火，然后通过光刻和反应离子刻蚀形成有机沟道，优选地，采用旋涂将聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)涂覆至所述基底之上，优选地，旋涂分两步进行，第一步旋涂转速为500-600rpm，旋涂时间为6-9s，第二步旋涂转速为2000-3500rpm，旋涂时间为30-40s，退火温度为120-150摄氏度，退火时间为30-60min，最优选地，第一步旋涂转速为600rpm，旋涂时间为6s，第二步旋涂转速为2500rpm，旋涂时间为30s，退火温度为120摄氏度，退火时间为60min。

对于光刻和反应离子刻蚀并没有特别限制，只要能够得到所需的形貌即可，特别优选地，在90mTorr压力下，100sccm O

将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物和1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐的共混物旋涂在基础器件表面，退火，获得多孔固态电解质；

优选地，将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物在60℃下以1:10的质量比溶解在DMF和丙酮的混合物中，在以2:1(1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐：聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物)的质量比加入1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐，常温搅拌。将获得的混合物在60℃下搅拌至少1小时，然后在基础器件上旋涂，第一步旋涂转速为600rpm，旋涂时间为6-9s，第二步旋涂转速为2000rpm，旋涂时间为30s。随后，将得到的基础器件在50℃的真空中热退火3小时。

将基础器件从玻璃片上机械剥离，得到柔性人工嗅觉突触。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触的制备方法，其中，在相对湿度60％-80％下进行旋涂，获得多孔固态电解质。如图1所示，在相对湿度60％-80％下进行旋涂，潮湿环境中的水蒸气接触到较冷的表面时冷凝形成的水滴，冷凝形成水滴的位置在水滴蒸发后即形成孔隙，多孔固态电解质的孔隙的形成依赖于高湿度环境中自发的水滴冷凝和蒸发，工艺简单易行，不需要复杂的设备和其他有机物的引入。

根据本发明所述的柔性人工嗅觉突触的制备方法，其中，将聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)旋涂至所述基底之上，在100-120℃下退火30-60min。

实施例

实施例1

将聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(125μm)贴附在涂有聚二甲基硅氧烷的玻璃片上，形成基底；使用铬(Cr)，金(Au)的溅射靶材经磁控溅射形成电极，包括栅极、对电极和参比电极，溅射电压为380V，工作电流为0.06A，溅射速率为

将聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)旋涂在基底上退火后经过光刻和反应离子刻蚀形成有机沟道，旋涂参数为600rpm/2500rpm，6s/30s，退火温度为120℃，退火时间为1h；经台阶仪测试表明，所述有机沟道的厚度约为180nm；反应离子刻蚀的参数为：压力90mtorr，气体流量为100sccm O

将聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物在60℃下以1:10的质量比溶解在DMF和丙酮的混合物中，在以2:1(1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐：聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物)的质量比加入1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐，用磁力搅拌器搅拌，将所得的混合物在60℃下搅拌至少1小时，然后在基础器件上旋涂，旋涂参数为2000rpm，40s，为了获得多孔结构，在旋涂和溶剂蒸发过程中，相对湿度保持在约60％，随后在50℃的真空中热退火3小时。

将器件从玻璃基板上机械剥离，得到柔性人工嗅觉突触-I。

对比例1

在旋涂和溶剂蒸发过程中，相对湿度保持在约25％，获得非多孔固态电解质，除此之外，以实施例1相同的方法获得柔性人工嗅觉突触-II。

性能测试结果

柔性仿生嗅觉突触的传感性能测试

将柔性人工嗅觉突触-I置于不同H

首先，如图3a和图3b所示，柔性人工嗅觉突触-I在不同浓度的H

弯曲性能测试

首先，图4a所示的是柔性仿生突触器件照片(弯曲半径：1mm)。图4b所示的是柔性人工嗅觉突触-I在非弯曲和弯曲状态下的H

在平面和弯曲状态下，柔性人工嗅觉突触-I对H

痕量H

图5所示的是柔性人工嗅觉突触-I的痕量H

图6所示的是柔性人工嗅觉突触-I的H

图5和图6展示了柔性人工嗅觉突触-I的气体递质介导的可塑性和相应的短期记忆(STM)和长期记忆(LTM)行为。在栅极上施加脉冲信号(V

如图6a所示，随着H