超薄薄膜印刷有机电路，山形大学咋做到的

笔者于2016年6月访问山形大学的有机材料系统研究设施，参观了其中的一部分。将分4次进行介绍。最后介绍使用扩展栅型晶体管的生物传感器，以及在超薄薄膜上制作的全印刷型有机集成电路。

扩展栅型有机晶体管

使用有机场效应晶体管（Organic Field Effect Transistor：OFET）的生物传感器元件有直接检测型和扩展栅型（图1）。前者容易实现集成化，作为显示器的驱动用TFT背板。后者运转稳定。这里来介绍后者，即扩展栅型OFET在生物传感器中的应用。

图1：OFET生物传感器元件的基本结构 （图：山形大学的资料）

图2是有机晶体管传感器的检测原理。有机晶体管上面嵌入了扩展栅电极，用来作为特定成分的受体。受体吸附成分后，晶体管的电流/电压会发生变化，从而判断出特定成分存在与否。有机晶体管型传感器检测的是栅极电极/溶液的界面电位的变化。有机晶体管的电导随捕捉到的目标物质改变。因此，晶体管电极界面的设计极其重要。

图2：有机晶体管传感器的检测原理 （图：山形大学的资料）

扩展栅型OFET的元件特性如图3所示。载流子迁移率为0.07cm2/Vs，开关比为103。观测不到滞后，具有能耐受重复操作的稳定性。驱动电压为3V，低于按钮电池的电压。

图3：扩展栅型OFET的元件特性 （图：山形大学的资料）

使用扩展栅型有机晶体管的生物传感器

在生活方式病、精神疾病激增的情况下，为了预防疾病，可以在诊所和家庭中简便实用的传感器芯片需要达到实用水平。OFET因为成本低、灵活性高，容易与信号处理部、传感部整合，在新一代生物传感器"智能生物传感器"中应用成为了众望所归。但如图4所示，在过去，只有非特异性蛋白质吸附（Non-Specific Binding）的检测采用了基于OFET的生物传感器。图5是扩展栅型有机晶体管传感器。分子的识别方法有酶反应、免疫反应及人工受体。

图4：蛋白结合的示意图 （图：山形大学的资料）

山形大学着眼于扩展栅型OFET结构，就该结构应用于利用生物物质间特异性结合（Specific Binding） 的生物传感器的可能性展开研究，尝试着检测了人血清中存在的免疫球蛋白G（IgG）。

免疫反应只发生在溶液中，需要以低电压驱动元件。因此，山形大学使用SAM/AlOx双重栅极绝缘膜，制作了低电压驱动的OFET。

先在玻璃基板上形成栅电极（Al），然后进行RIE处理，形成表面AlOx膜。将基板浸泡在Tetradecy lphosphonic Acid溶液中，形成双重栅极绝缘膜。接着形成源漏电极（Au）。之后再形成疏液性间壁层，使用滴铸法形成高分子半导体。最后通过旋涂法，在基板上形成封装膜，就制成了低电压（3V）驱动OFET。

接下来还要在PEN薄膜上直接形成Au，作为检测元件的扩展栅电极部（图5）。将其放入10-carboxy-1-decanthiol溶液中浸泡，在形成SAM膜后，通过偶联反应，将Streptavidin固定在Au电极上。然后滴下不同浓度的Biotin化IgG抗体，通过捕捉基于Streptavidin-Biotin结合的IgG抗体，检测晶体管特性的变化。使用的参照电极为Ag/AgCl电极。

图5：扩展栅型有机晶体管 （图：山形大学的资料）

因为降低了OFET的驱动电压，使用扩展栅结构分开了检测部和驱动部，即使在溶液中进行检测，也能获得稳定的FET特性，从而实现定量性的评估。

OFET将链亲和素改性为了扩展栅电极，在其中添加生物素化免疫球蛋白G，晶体管特性会随浓度变化发生改变，阈值电压（VTH）也会发生变化（图6）。造成变化的原因，可能是捕捉到的蛋白质所携带的正电荷。在控制下添加牛血清白蛋白没有取得明显的变化，由此可见，该元件选择性地检测到了存在于水中的生物素蛋白。证明了其作为生物传感器的有效性。

图6：IgG抗体的浓度与阈值电压的关系 （图：山形大学的资料）

研究室发现，通过在传感器部加入OFET、免疫反应和酶促反应，或者是人工受体，可以制造出能够检测生理活性物质的薄膜型生物传感器。通过使用这种传感器检测各类疾病的标志物等，有助于在未来通过简单的方式降低健康风险。

现在可以检测的成分有硝酸离子（在感觉到精神性压力时产生）、乳酸离子（运动性应力）、IgA抗体（舒适性）、葡萄糖（糖尿病）和组胺（食品鲜度）。设想的用途包括粘贴在手上检测压力的大小、粘贴在食品上检测变质等（图7）。

图7：传感器功能与RFID功能的一体化 （图：山形大学的资料）

在超薄薄膜上制作的全印刷型有机集成电路

要想实现物美价廉的可穿戴电子，制作轻、雹柔软的大面积元件是必不可少的技术。印刷方式有望成为实现大面积电子的有效手段