阅读说明：本技术 基于神经元晶体管的柔性传感器 (Flexible sensor based on neuron transistor ) 是由 冯雪 孟艳芳 马寅佶 于 2020-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于神经元晶体管的柔性传感器,其包括：摩擦起电装置以及神经元晶体管,其中,所述摩擦起电装置包括接地电极与摩擦电极,所述摩擦电极包括金属电极；所述神经元晶体管包括石墨烯晶体管,以及与所述石墨烯晶体管的栅极接触的凝胶层,并且,所述摩擦电极的金属电极与所述石墨烯晶体管的栅极相连。(The invention relates to a flexible sensor based on neuron transistor, which comprises: the device comprises a triboelectrification device and a neuron transistor, wherein the triboelectrification device comprises a grounding electrode and a friction electrode, and the friction electrode comprises a metal electrode; the neuron transistor includes a graphene transistor, and a gel layer in contact with a gate of the graphene transistor, and a metal electrode of the rubbing electrode is connected to the gate of the graphene transistor.)

基于神经元晶体管的柔性传感器

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，具体涉及一种基于神经元晶体管的柔性传感器。

背景技术

近年来，随着新型感应材料的快速发展、材料制备工艺的改进，电子系统微型化、数字电路的发展，柔性电子技术这一融合化学、材料、物理、数字电路、制造业和电子电气系统等多门学科的新型技术备受青睐，被认为是电子行业未来发展的重要方向之一。柔性电子在高灵敏度、响应性、高拉伸性、集成性、智能性等诸多方面取得重大突破，可精确模仿皮肤感知触觉、湿度、温度等多种刺激。

例如已经通过将氧化石墨烯湿度传感器、还原氧化石墨烯的温度传感器，这两者共用的石墨烯电极作为压力传感器电极，实现温度、湿度、压力三重响应的柔性可穿戴传感器。

此外，引用文献1公开了本发明提出了全石墨烯有机场效应管及其制备方法，利用基于石墨烯的材料的稳定性和高迁移率提高场效应管的电学性能，同时基于石墨烯的半导体材料用旋涂工艺可获得高质量薄膜。其可应用于柔性电路的制造，如柔性显示屏、智能可穿戴设备、生物传感器等。

引用文献2公开了一种柔性有源压力传感器结构及制备方法，利用柔性压阻材料制备柔性有源场效应晶体管的源漏电极，用于实现压力传感器单元结构，并利用半导体性单壁碳纳米管作为沟道材料构建柔性有源场效应晶体管，用于实现压力传感信号的读取控制，该结构及制备方法为柔性压力传感器的大面积及规模化应用提供了非常便捷的实现方法，具有非常重要的应用前景。

引用文献3公开了一种基于有机场效应晶体管的湿度传感器及其制备方法，所述湿度传感器的结构从下到上依次包括：衬底、栅电极、栅极绝缘层、有机半导体层以及源漏电极；所述有机半导体层是由靛蓝或靛蓝衍生物的一种或多种与细菌纤维素纳米纤维混合制成，其中细菌纤维素纳米纤维的质量百分数为3％～20％。其能够有效解决电子垃圾造成的生态污染问题,可广泛应用于便携可穿戴式柔性传感器领域。

另外的方面，神经元和突触分别是人脑神经计算和存储的基本单元，用单个器件模拟神经元-突触的功能是实现类脑智能芯片的基础。国内外已有大量文献报导了用单个器件模拟突触功能的实验结果。

引用文献4公开了一种多栅极神经元晶体管，该晶体管包括源漏电极、沟道、栅介质、浮栅电极和多个输入栅极，以及输入栅极与栅介质之间的电容记忆层。其中，各输入栅极通过电容记忆层与栅介质电容共同耦合至浮栅电极上，继而协同控制沟道输出电流，模拟神经元的加权计算功能。同时，电容记忆层的电容大小随输入栅压信号的历史而变化，模拟突触权重的可塑性。

表面看来，似乎神经元晶体管与柔性电子不太相关，但是，将神经元晶体管引入到柔性电子的研究领域已经有相关工作了。例如已经在打印的神经元晶体管和石墨烯打造会思考的柔性可穿戴传感器基础上，开拓出全新的项目：通过在柔性可穿戴传感器下增加一个神经层，使其拥有自己的神经元，在触碰时候立时做出反应，无需大脑反馈指令信息。这一项目将引发人工智能、可穿戴技术、柔性电子学、新一代计算机等几大领域的变革。

然而，虽然目前的柔性传感器的研究已经涵盖了感知静态的温度、湿度等物性参数，但随着使用要求的进一步提高，感知动态刺激也是很有必要。然而，传统的柔性可穿戴传感器对于在频率较高的外界刺激下，不能直观地反映其频率大小。因此，用于感知动态参数的传感器装置的设计仍然有进一步开拓的广阔空间，另外对于能耗也存在进一步降低的要求。

引用文献：

引用文献1：CN105576123 A

引用文献2：CN104614101 A

引用文献3：CN106198635 A

引用文献4：CN106910773 A

发明内容

发明要解决的问题

可见，上述现有技术的不足之处在于，传统柔性可穿戴传感器一般不具有高频与低频刺激的感应响应性；传统柔性可穿戴传感器不能直观反映频率，此外，传统柔性可穿戴传感器能耗大。

针对上述技术问题，本发明提供了一种柔性可穿戴传感器，其更直观地(直接)反映刺激的频率。更具体而言，借鉴神经元晶体管的突触可塑性行为(石墨烯晶体管既作为柔性可穿戴传感器的传感活性材料，又作为神经元晶体管结构部分)实现对频率的监测。

另外，利用流体(包括气体流体或液体流体等)具有一定频率的接触或起伏所产生的摩擦为神经元晶体管提供栅极电压，进一步降低了基于神经元晶体管的柔性传感器的功耗。

用于解决问题的方案

经过发明人长期潜心研究，使用根据如下的技术方案，能够解决上述技术问题：

[1].本发明首先提供了一种频率传感器，其包括：

摩擦起电装置以及神经元晶体管，

其中，

所述摩擦起电装置包括接地电极与摩擦电极，所述摩擦电极包括金属电极；

所述神经元晶体管包括石墨烯晶体管，以及与所述石墨烯晶体管的栅极至少部分接触的凝胶层，

并且，所述摩擦电极的金属电极与所述石墨烯晶体管的栅极相连。

[2].根据[1]所述的传感器，其中，所述摩擦起电装置的摩擦电极包括摩擦正极和摩擦负极，所述摩擦正极与摩擦负极可分离，且所述摩擦负极包括聚合物基薄膜；所述摩擦起电装置的摩擦正极为所述金属电极。

[3].根据[1]所述的传感器，其中，所述摩擦起电装置的摩擦电极包括聚合物基薄膜以及与其复合的所述金属电极。

[4].根据[2]或[3]所述的传感器，其中，所述摩擦起电装置的接地电极与所述聚合物基薄膜相连接，并且所述接地电极为金属材质的电极。

[5].根据[1]～[4]任一项所述的传感器，其中，所述摩擦起电装置在流体的作用下产生电势的变化，所述流体包括气体流体或液体流体中的至少一种。

[6].根据[1]～[5]任一项所述的传感器，其中，所述神经元晶体管包括：

基体、金属层、沟道层以及凝胶层，

所述金属层形成于所述基体之上，包括栅极(G)、漏极(D)以及源极(S)；

所述沟道层为石墨烯层，

所述凝胶层与所述栅极相接触。

[7].根据[6]所述的传感器，其中，所述凝胶层包括离子液体。

[8].根据[6]或[7]所述的传感器，其中，所述石墨烯层为单层石墨烯层。

[9].根据[1]～[8]所述的传感器，其中，所述传感器包括一个或多个的摩擦起电装置，或，一个或多个的神经元晶体管。

[10].进一步，本发明还提供了一种监测流体刺激频率的方法，其包括，使用至少一种根据以上[1]～[9]任一项所述的频率传感器与流体接触，以检测流体的接触频率或起伏频率。

发明的效果

基于上述技术方案的实施，本发明能够获得如下的技术效果：本发明的传感器具有可直接进行高频监测、低功耗、操作简单等优点。为解决传统柔性传感器的能耗问题和高频监测如何直观反映频率的实现提供了新的途径，具有重要的研究和实践应用价值。

更具体而言优势如下：

1)填补了传统柔性可穿戴传感器很少有高频刺激感应的监测方面的报道的空缺；

2)解决了传统柔性可穿戴传感器不能直观反映(高)频率问题，借助神经元晶体管的突出可塑性可直观反映频率；

3)采用流体(例如气体流)产生摩擦电势，对晶体管的栅极供电，而无需通常的额外电源，实现了自驱动，降低了能耗。

附图说明

图1本发明一种实施方案中频率传感器示意图

1:离子凝胶层；

2和3：源极或漏极；

4：石墨烯沟道层；

5：金属栅极；

6：导线；

7：聚合物基薄膜；7’:聚合物基之下的金属电极(摩擦层，未示出)

8：接地装置；

9：挂架。

图2本发明一种实施方案中频率传感器的石墨烯神经元晶体管的输出曲线(左图)与转移曲线(右图)

图3本发明一种实施方案中频率传感器的石墨烯神经元晶体管的摩擦输出曲线(左)与转移曲线(右)

图4本发明一种实施方案中石墨烯神经元晶体管随着脉冲时间变化的单脉冲行为

图5本发明一种实施方案中石墨烯神经元晶体管随着摩擦距离变化的单脉冲行为

图6本发明一种实施方案中通过一对摩擦的脉冲刺激下产生的电的突触后电流EPSC(摩擦距离＝200μm，突触脉冲间隔(突触6pre＝ms,突触脉冲停留时间＝10ms)

图7本发明一种实施方案中不同频率的双脉冲异化行为，摩擦脉冲刺激下产生的电的突触后电流EPSC(摩擦距离＝200μm，突触脉冲间隔冲异化行为突触脉冲停留时间＝10ms)

图8本发明一种实施方案中风频率的监测示意图

具体实施方式

以下对本发明的实施方式进行说明，但本发明不限定于此。本发明不限于以下说明的各构成，在发明请求保护的范围内可以进行各种变更，而适当组合不同实施方式、实施例中各自公开的技术手段而得到的实施方式、实施例也包含在本发明的技术范围中。另外，本说明书中记载的文献全部作为参考文献在本说明书中进行援引。

除非另有定义，本发明所用的技术和科学术语具有与本发明所属技术领域中的普通技术人员所通常理解的相同含义。

本说明书中，使用“数值A～数值B”或“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，使用“检测”与“监测”具有基本相同的工业技术含义，除非有特殊的说明。

本发明中，使用“石墨烯晶体管”、“石墨烯神经元晶体管”以及“神经元晶体管”具有等同的含义，除非有特殊说明。

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/优选的实施方式”、“另一些具体/优选的实施方式”、“一些具体/优选的技术方案”、“另一些具体/优选的技术方案”等是指所描述的与该实施方式有关的特定要素(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式中，并且可存在于其它实施方式中或者可不存在于其它实施方式中。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式中。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

<第一方面>

本发明的第一方面中，公开了一种频率传感器，具体而言，其是一种基于神经元晶体管的频率检测/监测的传感器。

在具体结构上，其包括：摩擦起电装置以及神经元晶体管。其中，所述摩擦起电装置包括接地电极与摩擦电极，所述摩擦电极包括金属电极。同时，所述神经元晶体管包括石墨烯晶体管，以及与所述石墨烯晶体管的栅极至少部分地接触的凝胶层。并且，所述摩擦电极的金属电极与所述石墨烯晶体管的栅极相连。

本发明的频率传感器通过与流体的接触，直接测量或反映流体的刺激(脉冲)的频率，尤其地，对于流体高频刺激提供了可用性。

摩擦起电装置

本发明的摩擦起电装置通过与流体的接触以产生摩擦电势以及产生摩擦电势的变化。

(流体)

本发明中所述“流体”主要是指在可监测温度范围内，基本上或实质上能够呈现出流动状态的物质。在本发明一些具体的实施方案中，这样的物质包括：

气体，例如自然界的风，以及人类活动所产生的流动的气体，例如有水或有机物的蒸汽，排放的气体等。

液体，例如在可监测温度下，呈现出液态或基本液态的流体。所述的可监测温度，没有特别的限制，这与摩擦起电装置以及后文所述的神经元晶体管的可工作温度相关。在本发明一些优选的实施方案中，所述可监测温度可以为-20～150℃，优选为5～100℃，进一步优选为10～70℃。对于在所述可工作温度条件下液态或基本液态的流体，在本发明一些具体的实施方案中，指的是具有8000mPa.s以下的粘度的流体，优选为具有5000mPa.s以下的粘度的流体，进一步优选为具有3000mPa.s以下的粘度的流体，更优选为具有1000mPa.s以下的粘度的流体。

(超)临界流体，通常是指在(超)临界温度和压力条件下呈现固态、液态以及气态以外的第四状态的流体。典型地，这样的流体可以为(超)临界二氧化碳流体。

一些情况下，在本发明中对于“流体”主要是指上文所述的“气体”和/或“液体”。这些流体在自然力或人类行为的作用下，展现出以一定频率的波动或起伏，并能够对本发明的摩擦起电装置产生刺激。这样的情况可以具体列举但并不限于以下情景：

自然气体，例如风力、油气、天然气等气体以具有一定频率的方式刺激所述摩擦起电装置；

人类活动，例如使用工业生产装置、机器设备时所产生的气态物质以具有一定频率的方式刺激所述摩擦起电装置；

自然液体例如水体(包括河水、湖水、海水等)以具有一定频率的方式刺激所述摩擦起电装置；

人为液体，例如各种有机、无机液体，其他液态树脂流体，或其他的流体态物质等以具有一定频率的方式刺激所述摩擦起电装置。

另外，需要说明的是，本发明上述“流体”中，并非排除其“流体”中具有非流体态物质(例如固体物质等)，只要该物质总体满足本发明的对于“流体”态物质的定义即可。

(摩擦起电装置电极)

本发明中，所述摩擦起电装置的电极包括，摩擦电极以及接地电极。所述摩擦电极包括金属电极。

在本发明一种具体的实施方案中，本发明的摩擦电极包括摩擦正极以及摩擦负极。其中，所述摩擦负极为聚合物基薄膜。此时，以流动的气体作为流体对摩擦起电装置产生一定频率的刺激。

对于本发明摩擦负极可用的聚合物基膜中的聚合物，没有特别限定，通常其电负性高于与之匹配的接地电极以及摩擦正极。在本发明一些具体的实施方案中，所述聚合物可以选自聚烯烃、聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺等，这些聚合物具有极性基团或者被极性基团所改性。如果聚合物材料带有吸电子基团，和金属电极摩擦后得到电子，表面带有负电；如果聚合物材料带有供电子基团，和金属电极摩擦后失去电子，表面带有正电。典型地，可以使用含有氟原子的聚合物。在本发明一些优选的实施方案中，可以使用含有氟原子或被含氟物质改性的聚烯烃基薄膜。

对于聚合物基膜的厚度，没有特别限制，在本发明一些优选的实施方案中，出于对气流的刺激的相应灵敏度方面考虑，其膜厚度可以为10～200μm，进一步优选为20～150μm。

本实施方案中的摩擦正极可以选择金属材质的正极，对于这样的金属材质，没有特别限制，可以使用本领域常规的导电金属，例如锌、铜、铁、铂、银等，并且，从使用性和经济性角度考虑优选为铜。

另外，作为接地电极，通常可以使用金属材质，在本发明一些具体的实施方案中，以铝电极为接地电极。

在本实施方案所使用的摩擦起电装置中，所述接地电极与作为摩擦负极的聚合物基薄膜通过导线相连接，并且作为摩擦负极的聚合物基薄膜与摩擦正极相接触。在本实施方案一种具体情况中，在没有气体或气流对摩擦起电装置进行刺激时，摩擦正极与摩擦负极相贴合；当有气体或其气流对摩擦起电装置进行刺激时，在气流的作用下，聚合物基薄膜与摩擦正极金属板或金属片产生分离，当刺激结束后，二者再次贴合。因此，当气流以一定的频率对摩擦起电装置进行脉冲刺激时，摩擦负极与摩擦正极在相应的频率下贴合-分离-再贴合。

在本发明另外一种具体的实施方案中，本发明的摩擦电极包括聚合物基薄膜以及金属电极。此时，以流动的液体作为流体对摩擦起电装置产生一定频率的刺激。

在本实施方案中，上述聚合物基薄膜的材质与前文所述聚合物基薄膜的材质选择范围相同，并且优选的是，所述聚合物基薄膜经过高压极化处理，以增加其电负性。并且本实施方案中的金属电极也可以与前文所述的摩擦正极的材质范围相同。另外，作为接地电极，也可以与前文的接地电极相同。

进一步，本实施方案中，所述聚合物基薄膜与金属电极始终贴合形成复合层状电极，优选地，可以使用粘合剂进行复合。所述接地电极通过导线与聚合物基薄膜相连接。在本实施方案中当有液体对摩擦起电装置进行刺激时，液体与聚合物基薄膜一侧接触并摩擦，由于液体通常在与聚合物基薄膜接触、摩擦时失去电子而带正电，而所述复合层状电极的聚合物基薄膜侧带有负电，因此，实际上，此时，液体相当于摩擦正极，而复合层状电极或复合层状电极的聚合物基薄膜侧相当于摩擦负极。

神经元晶体管

本发明中通过将上文所述的摩擦起电装置神经元晶体管相连接以形成所述频率传感器。其中，所述神经元晶体管包括：基体、金属层、沟道层以及凝胶层，所述金属层形成于所述基体之上，包括栅极(G)、漏极(D)以及源极(S)；所述沟道层为石墨烯层，所述凝胶层与所述栅极相接触。

(基体)

本发明中作为神经元晶体管的基体可以为绝缘基体，其可以为一层绝缘材料；或者为多层结构，其中最上层为绝缘层。

在本发明的一种具体实施方案中，这样的绝缘材料可以为聚合物材料。对于这样的聚合物材料没有特别限制，可以使用本领域常用的热塑性聚合物材料以及热固性聚合物材料。

对于热塑性聚合物材料，可以列举的包括但不限于烯烃的均聚物、烯烃的共聚物、聚酯、聚碳酸酯、聚硅氧烷以及聚苯醚等中的一种或多种的混合物。

对于热固性聚合物材料，可以列举的包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯、硅醚树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺等，这些材料固化成型后，可以作为所述绝缘基体。

另外，当所述基体为多层结构时，其可以为多层聚合物材料的复合基体，也可以为硅基底与绝缘氧化物层所形成的复合基体。

在本发明一些优选的实施方案中，出于柔性方面的考虑，可以使用一层或多层聚合物材料形成绝缘性基体。

(金属层)

本发明的金属层中，具有栅极(G)、漏极(D)以及源极(S)，并且在这种情况下，如后文所述的，本发明的“金属层”也可以意义等同地成为“电极金属层”。

在本发明一些具体的实施方案中，所述金属层中具有一个栅极，以及具有一个或多个的漏极，和，一个或多个的源极。

对于栅极、漏极和源极的排布方式，本发明没有特别的限制，可以使用本领域已知的各种分布的方式。

另外，对于金属层的材质，栅极、漏极以及源极可以采用相同或不同材质的金属，但优选地，从加工的便利性方面考虑，它们可以采用相同的金属材质，从导电性方面考虑，本发明的金属层可以为贵金属形成的金属层。

本发明中，所述摩擦电极的金属电极与所述石墨烯晶体管的栅极通过导线相连。优选地，本发明的金属层中的栅极为金(Au)栅极，同时，源极和漏极也为金(Au)材质。

在一些具体的实施方案中，为了提高金属层与绝缘性基体、尤其是聚合物材料的结合的紧性和可靠性，可以在金属层与基体之间优选地还形成有过渡金属层。对于过渡金属层的材质优选地可以为铬。进一步，对于上述金属层的厚度，通常可以为20～150nm，优选为30～80nm；对于过渡金属层的厚度，通常可以为3～10nm。

(沟道层)

本发明中，使用石墨烯层形成沟道层，尤其的，使用单层石墨烯层形成沟道层。

一些具体的实施方案中，所述沟道层至少部分地形成于漏极与源极之间，并且与漏极和源极相连接。另外一些实施方案中，所述沟道层至少部分地与所述栅极相连接，并且，至少部分的栅极表面没有被所述沟道层覆盖。

(凝胶层)

本发明的凝胶层起到绝缘层的作用，其至少部分地与金属层的栅极表面接触。在本发明一些具体的实施方案中，凝胶层可以为聚合物通过物理、化学(部分)交联方法形成。所述物理交联的方法，例如可以使用具有相反电荷的物质或利用聚合物中形成的氢键进行交联；所述化学交联，例如可以利用光、热等外部能量使得单体聚合并交联(通常使用一定量的引发剂和/或交联剂)。

对于物理交联和化学交联的使用方式没有特别限定，可以使用其中的一种或同时使用两种。另外在本发明一些优选的实施方案中，可以使用光刻工艺中掩膜曝光-清洗的方式以精确地形成所需的凝胶层。

进一步，对于形成本发明所述凝胶层的材料，优选的实施方案中，使用离子凝胶材料。所述离子凝胶是一种具有离子导电性的固态混合物，通常是由高分子有机聚合物和可电解为离子的盐类电解质材料混合而成。对于高分子有机聚合物，可以使用聚醚结构的单体而形成，这些单体可以具有一个或多个不饱和键；对于可电解的盐类，可以使用无机盐，例如金属或碱金属的卤化物等。另外，在一些优选的实施方案中，对于可电解的盐类，可以使用离子液体。对于这样离子液体，没有具体限制，可以例如可以使用含有咪唑结构的有机配体与无机阴离子配体形成。

此外，对于凝胶层的厚度，没有特别限定，只要能够形成大约1nm的双电层即可。在本发明一些具体的实施方案中，优选地，凝胶层的厚度可以为50-400μm。

神经元晶体管的制备方法

本发明上述神经元晶体管在制备方法方面，原则上没有特别的限制，但出于制备可靠性和便利性方面考虑，优选地，可以使用如下制备方法形成。

(单层石墨烯的沉积)

单层石墨烯的沉积的步骤主要是将单层石墨烯沉积在辅助金属层上。

按照预设形状对预先制备的辅助金属层进行刻蚀，得到刻蚀后辅助金属层。

在一些具体的实施方案中，对于刻蚀后的辅助金属层可以利用食人鱼刻蚀液(也可称piranha溶液)等清洗液进行表面杂质清洁清洗，并进行进一步清洗(如去离子水)、干燥(如氢气)。可以利用光刻工艺实现对该辅助金属层的刻蚀，本发明对此不作限制。辅助金属层的材料可以是铜、镍等对于石墨烯的生长起催化作用的、且易于之后刻蚀去除的金属，本发明对此不作限制。

进一步，采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)的方式，在所述刻蚀后的辅助金属层上生长第一单层石墨烯。这样，通过CVD工艺实现单层石墨烯的制备，既可以保证所制备的单层石墨烯的质量高、面积能够满足不同类型的光探测装置的使用需求，且将单层石墨烯生长在刻蚀后金属层上，便于后续步骤进行单层石墨烯的转移、装配。

在一种具体的实施方案中，这样的步骤可包括：

将所述刻蚀后辅助金属层固定放置于真空的石英管中之后，向所述石英管加压至预设压力后，通入氢气并加热至第一温度，并保持所述第一温度持续第一时长；

以第一流速继续向所述石英管中通入氢气，同时以第二流速通入甲烷气体，使得所述刻蚀后金属层上生长出石墨烯；

保持所述氢气和所述甲烷气体的通入状态的时长达到第二时长后，停止通入所述甲烷气体，得到生长有第一单层石墨烯的刻蚀后金属层。

在该实施方案中，还可以将刻蚀后辅助金属层放置于其他能够实现真空、保证石墨烯的合成过程正常进行的空间中进行。可以利用通常的额外部件以保证通入氢气、甲烷过程中刻蚀后辅助金属层不会发生移动的重物将刻蚀后金属层固定在石英管中。或者，也可以利用夹持部件保证刻蚀后金属层固定不动。

在该实施方案中，可以根据所需的单层石墨烯的尺寸、质量，对预设压力、第一流速、第二流速、第一时长、第二时长进行设置，本发明对此不作限制。

(石墨烯层转移至临时衬底)

进一步，将沉积在辅助金属层表面的单层石墨烯层转移至一临时衬底。在所述单层石墨烯上制备临时衬底层之后，去除所述刻蚀后辅助金属层。

在本实施例中，临时衬底层的材料可以选自柔性聚合物材料。更具体而言可以选自聚甲基丙烯酸(酯)，例如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)，简称PMMA)；聚酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate，简称PET)；以及聚酰亚胺(polyimide，简称PI)等柔性材料。可以根据临时衬底层材料的不同利用旋涂、滴涂等适应的方式制备临时衬底层，例如，可以直接在单层石墨烯上旋涂PMMA溶液，或者直接在第一单层石墨烯上旋涂PMMA的氯苯溶液。

在一种可能的实现方案中，进一步去除辅助金属层的方法包括：利用仅与所述刻蚀后辅助金属层发生反应的去除液体，去除所述刻蚀后辅助金属层。

在该实现方式中，由于单层石墨烯是在刻蚀后辅助金属层上生长制备的，可以利用能够仅与刻蚀后金属层反应的去除液体去除刻蚀后金属层，既能简化刻蚀后金属层的去除过程，也能避免传统方式中通过刻蚀方式去除生长石墨烯载体的过程中对石墨烯所带来不利影响(例如，由于石墨烯过于柔软刻蚀的方式容易损害石墨烯，产生裂纹等)。例如，若刻蚀后金属层的材料为铜，则可以利用过硫酸铵的溶液去除，将“临时衬底-单层石墨烯-刻蚀后辅助金属层”结构放置于过硫酸铵的溶液中，在确定刻蚀后金属层溶解后，洗去剩余的“临时衬底-单层石墨烯”表面附着的过硫酸铵。

(石墨烯层转移至电极金属层)

进一步，将带有所述临时衬底层的所述单层石墨烯转移至预先制备好的电极金属层上，并去除所述临时衬底层。此处，所述“电极金属层”即为上文所述的形成于所述基体表面的金属层。因此，对于所述基体和电极金属层的材质与上文定义相同。

在一些具体实施方案中，可以直接利用夹持转移设备将带有所述临时衬底层的所述单层石墨烯转移到所述电极金属层上，本领域技术人员可以根据实际需要对转移方式进行设置，本说明对此不作限制。例如，将带有所述临时衬底层的所述单层石墨烯转移到所述电极金属层上之后，利用能够与临时衬底层反应使其脱离单层石墨烯的溶液去除临时衬底层。例如，在临时衬底层的材料为PMMA时，可以用丙酮去除PMMA。

另外，对于在上述基体表面形成电极金属层的方法，在本发明一些具体的实施方案中可以包括：

在基体上沉积电极金属层；

对所述电极金属层进行刻蚀，以形成栅极(G)、漏极(D)和源极(S)。

在一些具体的实施方案中，采用柔性衬底作为上述基体。进一步，对于已经裁剪好的柔性衬底，可以先对其进行表面清洁，如，将其放置于丙酮、异丙醇与去离子水中超声清洗。而后采用蒸镀的方式在柔性衬底上制造电极金属层，可以根据电极金属层的材料选择蒸镀的加热方式。完成电极金属层的制备之后可以采用光刻等刻蚀技术对其进行刻蚀，以形成栅极(G)、漏极(D)和源极(S)。例如，在电极金属层的材料为金时，可以利用紫外曝光机实现对电极金属层的刻蚀。具体地，可以先在电极金属层上旋涂光刻胶，而后进行紫外曝光、显影、刻蚀的处理过程，得到栅极(G)、漏极(D)和源极(S)。

如前所述，可以根据实际需要设计栅极(G)、漏极(D)和源极(S)的位置或结构，例如可以根据装置的设计需要对漏极(D)和源极(S)之间的间隔进行设置，本发明对此不作限制。

另外，一些优选的实施方案中，在柔性衬底上制备电极金属层之前，还可以在柔性衬底上预先制备过渡金属层，而后在过渡金属层上制备电极金属层。过渡金属层的作用是加强电极金属层与柔性衬底之间的粘附力，保证栅极(G)、漏极(D)和源极(S)形态稳定的固定在柔性衬底上。过渡金属层的材料和厚度与前文定义相同。

进一步，当将石墨烯层转移至电极金属层后，使用刻蚀的方法，例如，使用紫外光曝光机刻蚀该石墨烯层，以形成所需的沟道层。一些具体的实施方案中，所述沟道层至少部分地形成于漏极与源极之间，并且与漏极和源极相连接。此外，所述沟道层至少部分地与所述栅极相连接，并且，至少部分的栅极表面没有被所述沟道层覆盖。

(凝胶层的形成)

在形成了上述沟道层以后，继续在该部件上形成凝胶层。这样的凝胶层至少部分地与上述电极金属层的栅极相连接，或者至少部分地直接覆盖该栅极表面的一部分。

在一些具体的实施方案中，这样的凝胶层也可以称为(顶部)透明栅极层。该凝胶层可以通过如下方法形成包括：

在基体(柔性衬底)的四周放置液体围栏，形成承载槽；

向所述承载槽中加入凝胶液体中之后，按照预设图案形状对凝胶液体进行曝光处理，使得所述凝胶液体中被曝光的位置发生形成凝胶层所需的聚合反应；

去除所述柔性衬底上未被曝光的离子凝胶液体，得到所述凝胶层。

对于凝胶层的材质或组成，与上文所定义的范围相同。

基于神经元晶体管的频率传感器

本发明中，通过将上述神经元晶体管与摩擦起电装置相连接以得到基于神经元晶体管的频率传感器。

具体而言，通过将摩擦起电装置中摩擦电极的金属电极与神经元晶体管的栅极相连接得到上述频率传感器。

本发明通过以上公开内容来制备和得到频率传感器。本发明认为可以借鉴神经元晶体管的突触可塑性行为(石墨烯晶体管既作为柔性可穿戴传感器的传感活性材料，又作为神经元晶体管)来实现本发明的目的。

突触可塑性即：神经细胞间的连接(突触)，其连接强度可调节的一种特殊的性质。突触的形态和功能改变引起神经活动的变化，从而导致神经元之间突触信息传递的效能增强或减弱的现象。在神经元晶体管中，突触权重(第n个脉冲的后突触电流与第n-1个脉冲的后突触电流相比增加的现象)随着接收到的前突触刺激频率的变化而变化。本发明中，通过神经元晶体管在受到流体(风或液体等)刺激下，第n个脉冲的后突触电流与第n-1个脉冲的后突触电流相比增加的值来反映流体的刺激频率。

本发明认为通过摩擦发电机产生的电势(为神经元晶体管提供栅极电压)作为前突触刺激，利用流体带动摩擦发电机摩擦层之间的摩擦。由于后突触电流和刺激频率有关，不同流体刺激的频率导致不同的后突触电流大小(相对于前突触电流就是权重发生变化)。

例如风的吹动导致摩擦正极与摩擦负极的分离-贴合往复进行，两者之间接触-分离过程中，基于摩擦起电与静电感应，产生摩擦电势，通过离子凝胶介电层耦合到神经元晶体管的石墨烯沟道。不同风的强度引起不同的接触分离距离，从而引起不同摩擦电势，导致晶体管不同的输出。在风频率监测中，利用神经元晶体管的突触可塑性，根据突触权重与频率的依赖关系，可以直观反映风的频率。

另外，这样的突触可塑性主要包括短时程突触可塑性(shortterm synapticplasticity,STP)与长时程突触可塑性(long-term synaptic plasticity)。

<第二方面>

本发明的第二方面中，本发明提供了一种监测流体刺激频率的方法，其包括使用上文所定义的频率传感器与流体接触，以检测所述流体的接触频率或起伏频率。

在一些具体的实施方案中，可以检测自然风的吹扫频率、自然水体的起伏频率等。

此外，本发明上述的频率传感器可以与其他任意合适的柔性传感器集成或并用，以实现对流体刺激频率以及其他特性的同时监测。

实施例

以下，将通过具体实施例来说明本发明。

传感器的制备过程

(1)单层石墨烯的CVD生长

经H₂SO₄与H₂O₂的混合溶液清洗15min后的铜箔(10cm×10cm，20-30μm)，浸泡在去离子水中，用氮气干燥。然后将其加入除去空气的石英管，当石英管内压达到5×10^-3Torr时，通入H₂，同时将石英管加热到1000℃，持续30min后，在连续通入H₂(流速10sccm)时，通入流速为5sccm的CH₄气体，使得石墨烯连续地增长。30min后，停止通入CH₄，石英管在H₂流中冷却到室温，得到铜箔上生长的石墨烯。

(2)制备电极金属层；

基底(PET)分别在丙酮、异丙醇与去离子水中超声清洗5min，用电子束蒸镀(EB)的方法镀7nm/50nm铬/金层，用紫外曝光机光刻金层，形成包括源极和漏极和/或栅极的电极金属层。

(3)制备神经元石晶体管；

在铜箔上生长的石墨烯上旋涂甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的氯苯(4.5wt％)溶液，通过背面做等离子体刻蚀去掉背面的石墨烯后，浸泡在过硫酸铵中3h溶解掉铜。将完全溶解掉铜的PMMA/石墨烯层转移到基底PET上，用丙酮洗掉石墨烯上的PMMA，用紫外曝光机光刻石墨烯层。

(4)制备离子凝胶栅极双电层；

离子凝胶液体由离子液体1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺([EMIM][TFSI])、单体聚乙二醇双丙烯酸酯单体(PEGDA)和2-羟基-2甲基丙苯酮的混合溶液、光引发剂2甲基丙苯酮(HOMPP)以质量比90∶8∶2混合而成。

用透明胶带在基底围成槽状，中间加入离子凝胶，在紫外光下，用掩模版曝光10秒。紫外光下，引发剂HOMPP产生自由基与丙烯酸酯反应，引发单体PEG-DA聚合；未透光的部分没有聚合反应，可用去离子水洗掉。

(5)基于神经元晶体管频率传感器的制备

神经元晶体管的栅极金电极连接一个摩擦发电机。摩擦发电机为悬挂的FEP膜(与铝电极相连，铝电极接地)与铜电极(既作为电极又作为摩擦层)在风的驱动下，FEP膜与铜电极接触分离。

工作状态

在开始的位置上，FEP膜与铜电极互相密切接触，根据摩擦电极序，电子由铝转移到FEP膜，铝电极层和FEP膜表面分别留下正、负电荷。由于正负电荷相等而抵消而呈中性状态。摩擦电势为0，为神经元晶体管提供的栅极电压为0，也就不会影响石墨烯电性能。

当风吹过，带负电荷的FEP膜，垂直地移动与铜分离，由于铜电极剩下了正电荷，吸引金栅极的电子，使得金栅极剩下了正电荷，由于金栅极与离子凝胶接触，金栅极的正电荷改变了离子凝胶的表面电荷分布(剩下负电荷)。在界面处形成双电层，离子凝胶与石墨烯界面处形成负电荷，石墨烯的费米能级向上移动，使得输出的源流电流增加。风过去后，FEP膜回到与铜接触的状态，金栅极的电荷回流。但是离子凝胶中离子的滞后性，双电层不能马上恢复，仍旧有部分离子的规则排布。当下一个循环中，带负电荷的FEP膜与铜接触后，垂直地移动与铜分离，由于铜电极剩下了正电荷，吸引金栅极的电子，使得金栅极剩下了正电荷，由于金栅极与离子凝胶接触，金栅极的正电荷再次改变离子凝胶的表面电荷分布(剩下负电荷)。在界面处形成双电层EDL，与第一次形成的\还没有恢复的双电层叠加，使得双电层的离子数目增加，离子形成的静电场增加，离子凝胶与石墨烯界面处形成更多负电荷，石墨烯的费米能级向上移动更多，使得输出的源流电流增加更多，从而产生类似于神经元晶体管中的突触可塑性。

性能表征

(1)石墨烯神经元晶体管的电性能

由于本发明用石墨烯神经元晶体管的突触可塑性行为来直观地反映刺激的频率，在研究突触可塑性行为之前，需要验证石墨烯摩擦电子学晶体管的稳定、可重复的摩擦性能，而石墨烯摩擦电子学晶体管的摩擦性能是建立在晶体管稳定的电性能基础上。因此，先验证了石墨烯摩擦电子学晶体管的电性能。

图2左、右分别示出了石墨烯神经元晶体管的输出曲线和转移曲线。图2左图共平面栅极石墨烯晶体管(GFET)在不同栅极电压下的输出曲线。图线表明I_D与V_DS呈现较好的线性关系，表明石墨烯与金电极之间接触较好。同时，I_D绝对值随着V_G绝对值的增加而增加，表明栅电压越大，对晶体管载流子传输的调控越明显。

石墨烯神经元晶体管的摩擦性能即为：外摩擦发电机作为风刺激。

图3左图，摩擦电极序为正的铜作为摩擦材料摩擦离子凝胶下，GFET的转移曲线(V_DS＝0.1V，逐步改变摩擦发电机的摩擦接触层之间的距离，I_D逐步变化)表明，摩擦发电机也可以作为栅极，很好地为晶体管提供栅电压(此种情况以铜片作为摩擦材料刺激离子凝胶层)。表明距离增大，摩擦发电机电势越大，对晶体管施加的栅电压越大。而石墨烯是空穴传输，随着正的栅压的增大，I_D减小。因为，FEP在摩擦电极性顺序中排在负端，与离子凝胶接触，得到电子，使得离子凝胶表面上带正电荷，使得离子凝胶/石墨烯界面感应负电荷，相当于给GFET施加负栅压。由于石墨烯是p型，空穴传输胜于电子传输，因此，离子凝胶接触FEP，在距离增大时，输出电流上升。图3左图为摩擦输出曲线。开始，摩擦发电机的接触摩擦层完全接触。由于摩擦电负性不同，表面分别感应出相反的电荷。但由于电荷平衡，没有为晶体管提供栅电压，因此晶体管的I_D较低。当这两个表面离开较小的距离50μm时，晶体管的I_D提高。当源漏电压(V_D)固定在0.1V的时候，离子凝胶与铜的距离由0mm增加到600mm的时候，源漏电流(I_D)从20.1μA增加到26.4μA。这是因为为了平衡表面电荷，产生电荷移动，产生电势差。由于摩擦发电机的输出端分别与晶体管的栅极与接地端相连，因此，摩擦发电机为晶体管提供栅电压，且距离增大，摩擦发电机电势越大，对晶体管施加的栅电压越大，对晶体管载流子传输的调控越明显。

另外，图3的右图摩擦转移曲线Ⅰ：当离子凝胶与皮肤(即以皮肤作为摩擦材料)距离由0mm增加到1mm时候，I_D由20.1μA增加到31.13μA，变化率为11.01μA/mm；Ⅱ：当离子凝胶与皮肤距离由1mm增加到3mm时候，I_D由31.13μA增加到32.98μA，变化率为0.9μA/mm。

稳定的摩擦行为为进一步探究突触行为提供了基础。在神经元晶体管中，最重要的突触行为是突触权重：是前突触神经元细胞与后突触神经元细胞之间的关联程度的一种衡量，其大小等于当前突触受到刺激之后，后突触电流的大小。在一定的时间范围内控制并保持突触权重的能力称之为突触可塑性，又分为短时程突触可塑性(STP)与长时程突触可塑性(LTP)。

(2)FEP-Cu摩擦发电机与石墨烯神经元晶体管性能

图4示出了石墨烯神经元晶体管随着停留时间变化的单脉冲行为。如图4左所示，电的后突触电流(EPSC)随着FEP-Cu摩擦发电机摩擦层距离的增加而增加(停留时间相同的情况下)，因为摩擦距离越大，为晶体管提供的摩擦栅压越大，则晶体管的源漏端电流越大。这意味着刺激越强，引起的神经元晶体管的对外界刺激的反应越强烈(提取的电的后突触电流-距离随着摩擦距离的变化见图4右图)。

图5示出了石墨烯晶体管随着摩擦距离变化的单脉冲行为。如图5左图所示，电的后突触电流(EPSC)随着FEP-Cu摩擦过程中的停留时间的增加而增加(摩擦距离固定在10μm)，停留时间越长，导致更多的离子聚集在离子凝胶，对石墨烯晶体管沟道载流子的调控也越明显，产生尖峰时间依赖可塑性(提取的电的后突触电流-距离随着停留时间的变化见图5右图)。

突触可塑性同样可与被两个脉冲序列的时间间隔来调控，这种行为反映出了突触器件的双脉冲异化行为(PPF)，为神经工作的研究提供了便捷的途径。例如，在频率区间的简单学习和信息传递。

图6展示了通过一对摩擦的脉冲刺激下产生的电的突触后电流EPSC(摩擦距离＝200μm)，突触脉冲间隔(Δt_pre＝100ms,突触脉冲停留时间＝60ms)。由于当两个序列脉冲时间间隔满足一定条件时候，出现双脉冲异化现象。双脉冲异化的定义为PPF＝(A₁-A₂)/A₁×100％)，是时间间隔的函数。图6展示了PPF-Δ_{t pre}曲线值，随着间隔时间增加而指数衰减。这个衰减可以用两个衰减时间常数的函数拟合，C₁exp(-Δt/τ₁)+C₂exp(-Δt/τ₂)，使用C₁和C₂作为拟合参数，可以得到两个衰减的时间常数τ₁＝1.09ms和τ₂＝256.8ms。由于本文的传感器是利用突触可塑性直观地反映外界刺激频率，因此，探讨了不同频率的双脉冲异化行为。

见图7，频率越高，突触后电流增加越明显，即脉冲塑化百分比增加。当风作为外界刺激(摩擦发电机的FEP膜随着风运动与离子凝胶反复接触分离)，频率分别为4Hz、5Hz、6Hz、9Hz、12Hz、16Hz，脉冲塑化百分比分别为：110％、122％、136％、137％、169％、202％。频率越高，增加越明显。

如图8，不同风频率的监测。根据两个相邻刺激中，后一个刺激相对于前一个刺激的比较，计算了风双脉冲刺激的突触可塑性百分比分别为110％，157％，200％，对比图7中不同频率对应的百分比(频率分别为4Hz、5Hz、6Hz、9Hz、12Hz、16Hz，脉冲塑化百分比分别为110％、122％、136％、137％、169％、200％)。可以估算风双脉冲刺激的频率约为3Hz、6Hz-9Hz之间、16Hz。

因此，利用神经元晶体管的突触可塑性中突触权重随着频率的变化来推断刺激的频率，制备的神经元晶体管传感器，实现频率监测传感，为高智能电子皮肤的研制提供了可借鉴的途径。另外，该传感器自驱动，节约能耗，为低能耗的智能电子皮肤的研制提供了切实可行的方法和途径。

需要说明的是，尽管以具体实例介绍了本发明的技术方案，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

产业上的可利用性

本发明所述的装置可以在工业上用于流体脉冲刺激的频率监测。