Luận án Nghiên cứu, chế tạo cảm biến áp lực hữu cơ màng mỏng PU định hướng ứng dụng cho iot

àng mỏng hữu cơ
(OTFT) trong các nghiên cứu [34,81–83] đã chứng minh cĩ sự cải thiện đáng
kể về độ nhạy, độ trễ và giảm điện áp làm việc của cảm biến. (Tham số chi
 49
tiết được tổng hợp trong Phụ lục của luận án).
 Cảm biến tích cực gồm thành phần thụ động được kết nối với OTFT.
Thành phần thụ động thường là cảm biến áp lực điện dung hoặc cảm biến
áp lực điện tích. Khi cĩ áp lực tác động thì điện dung, điện tích của thành
phần thụ động thay đổi dẫn tới sự thay đổi tín hiệu đầu ra của OTFT. Để sử
dụng tính năng khuếch đại tín hiệu, thành phần thụ động được nối với ngõ
vào, tức là cực cửa (G: Gate electrode) của OTFT [34, 81, 84] như minh hoạ
trên Hình 3.1.
Hình 3.1: Cấu trúc của cảm biến tích cực sử dụng (a) OTFT thường mở và (b) OTFT
 thường đĩng.
 Do bán dẫn hữu cơ khơng cĩ sẵn hạt dẫn mà cần được cung cấp từ bên
ngồi, cho nên khi chưa cấp điện áp cực cửa (VGS: Gate-Source voltage) cho
OTFT thì kênh dẫn tại lớp bán dẫn chưa hình thành (trạng thái thường mở:
normally off state) như mơ tả trên Hình 3.2(a).
 Muốn chuyển OTFT của cảm biến sang trạng thái dẫn (trạng thái thường
đĩng: normally on state), cần cung cấp điện áp VGS đủ lớn để tạo điện trường
hút hạt dẫn lỗ trống từ điện cực nguồn vào lớp bán dẫn như được mơ tả trên
Hình 3.2(b).
 Thơng thường VGS và VDS khá lớn như trong thiết kế cảm biến của G.
Schwartz [81] và S. mannsfeld [34] với cấu trúc cảm biến được thể hiện ở Hình
 50
Hình 3.2: (a) OTFT ở chế độ thường mở và (b) OTFT ở chế độ đĩng khi được cung
 cấp điện áp VGS.
3.3 cĩ các mức điện áp tương ứng là VDS = VGS = 200 V và VDS = 80
 − −
V, VGS = 20 V. Bên cạnh đĩ, nhiều OTFT yêu cầu điện áp làm việc cao
 −
> 20 V [85–88]. Các mức điện áp này là rất khĩ khăn với khả năng áp dụng
của cảm biến, nhất là các ứng dụng mang tính chất di động với nguồn cung
cấp thường giới hạn đĩng mức nhỏ hơn 5 V.
 Hình 3.3: Cấu trúc cảm biến áp lực hữu cơ sử dụng OTFT (a) [81] và (b) [34].
 Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ở mức độ linh kiện để giảm cơng suất tiêu
thụ, cần phải giảm nguồn cấp [10, 83]. Trong khi, VDS là điện áp khơng thể
thiếu để gom hạt dẫn tạo dịng IDS ngõ ra, do đĩ giảm điện áp cung cấp cho
cực cửa VGS là nội dung được tập trung nghiên cứu nhằm giảm cơng suất cho
cảm biến.
 51
 Theo mục tiêu đĩ, nhiều cơng trình nghiên cứu nỗ lực giảm điện áp cung
cấp cho OTFT nhằm giảm cơng suất tiêu thụ của cảm biến. Các nghiên cứu
tập trung vào tối ưu hĩa cấu trúc cảm biến cũng như vật liệu sử dụng làm
lớp điện mơi cực cửa.
 Hình 3.4: (a) Cấu trúc cảm biến và (b) lớp điện mơi cực cửa PEG/PAA của [89].
 Theo đĩ, với mục đích cải thiện vật liệu nhằm tăng hệ số điện mơi cực
cửa, M. Yin đã cơng bố cảm biến áp lực hữu cơ sử dụng OTFT làm việc với
điện áp thấp VDS = VGS = -2 V [83]. Khi đĩ, tác giả sử dụng vật liệu EIPH
(Elastic Ionic Polyacrylamide Hydrogel), một loại polyme cĩ tính ion nhằm
gia tăng điện dung cực cửa. Thời gian gần đây, Z. Liu tuyên bố nghiên cứu
thành cơng OTFT với điện áp VDS = VGS = -0,7 V khi sử dụng hỗn hợp
PAA/PEG (Polyacrylic Acid/ Poly(Ethylene Glycol)) làm lớp điện mơi cực
cửa của OFET (Hình 3.4) [89].
 Theo một hướng nghiên cứu khác, gần đây một số nhĩm đã nỗ lực nghiên
cứu sử dụng thêm cực cửa thứ hai gọi là cực cửa thả nổi (floating-gate) bằng
kim loại hay electrolyte trong OTFT và nối trực tiếp với điện cực ra của
thành phần thụ động [82, 90–93]. Với cấu trúc cảm biến như vậy, điện tích
của thành phần thụ động sinh ra do áp lực tác động sẽ nạp trực tiếp cho cửa
thả nổi và qua đĩ làm tăng nồng độ hạt dẫn trên kênh dẫn. Ý tưởng này tuy
 52
cĩ thể giúp giảm độ lớn, nhưng vẫn phải cung cấp cho VGS một giá trị nhất
định để kênh dẫn được hình thành, chẳng hạn VGS = -2 V trong cơng bố gần
đây của S. Lai [90] và các cộng sự Hình 3.5. Trong đĩ, nhĩm tác giả sử dụng
cấu trúc OFET với lớp Al2O3 6 nm kết hợp Parylene 25 nm được tạo ra trên
cực cửa để giảm cơng suất tiêu thụ cho linh kiện [94].
Hình 3.5: OTFT làm việc ở điện áp thấp khi sử dụng lớp Al2O3 6 nm kết hợp Parylene
 25 nm (a) [94] và (b) cảm biến sử dụng OTFT với cấu trúc cực cửa thả nổi
 [90].
 Như vậy, các cảm biến tích cực được đề cập ở trên đều phải chế tạo tích
hợp cùng với cảm biến thụ động, vì lớp polymer của cảm biến thụ động chính
là một lớp (hoạt động như điện cực thả nổi) trong cấu trúc của OTFT. Nghĩa
là việc chế tạo cảm biến địi hỏi cơng nghệ chế tạo phức tạp. Xuất phát từ
thực tế này, luận án đề xuất giải pháp tận dụng cảm biến thụ động đã được
chế tạo thành cơng với quy trình ép nhiệt đơn giản kết nối kiểu dây dẫn với
OTFT cũng được sản xuất riêng biệt.
 Xét ở gĩc độ OTFT, bằng việc sử dụng OTFT thường mở như các nghiên
cứu đã cĩ thì các cảm biến tích cực đã nâng cao được hiệu năng nhưng phải
trả giá bởi cơng suất tiêu thụ lớn do điện áp điều khiển cực cửa lớn. Do đĩ,
nên sử dụng OTFT thường đĩng để cĩ thể hoạt động ngay cả khi điện áp cực
 53
cửa bằng 0 V như thể hiện trên Hình 3.1(b). Vấn đề lớn nhất trong việc sử
dụng OTFT thường đĩng là việc mạch tiêu thụ cơng suất ngay cả khi chưa
cĩ tín hiệu điều khiển hồn tồn cĩ thể được giải quyết bằng cách cấp nguồn
xung cho điện cực máng chỉ khi cảm biến chịu áp lực.
3.2. Cấu trúc cảm biến áp lực dựa trên OTFT thường đĩng
 Cảm biến áp lực tích cực do luận án đề xuất sử dụng cảm biến áp lực đã
cĩ như phần tử thụ động kết nối với cực cửa của OTFT thường đĩng như
biểu diễn trên Hình 3.6(b).
Hình 3.6: (a) Cấu trúc OTFT thường đĩng và (b) cảm biến áp lực hữu cơ trên cơ sở
 OTFT thường đĩng.
 Trong đĩ, cảm biến áp lực hữu cơ sử dụng màng mỏng PU đĩng vai trị
làm thành phần thụ động đã được chế tạo trong Chương 2. OTFT thường
đĩng sẽ được tạo ra bằng cách lập trình thường đĩng từ OTFT thường mở
như mơ tả chi tiết trong phần dưới đây.
3.2.1. Cấu trúc chi tiết của OTFT
 Hình 3.7 mơ tả cấu trúc OTFT thường đĩng với các lớp màng điện mơi
cực cửa, lớp cực cửa thả nổi, lớp bán dẫn và các điện cực được tạo ra trên
tấm nền thủy tinh ITO.
 Trong đĩ, lớp điện mơi cực cửa được tạo ra từ hợp chất DPA-CM (6-[4’-
 54
 Hình 3.7: Cấu trúc OTFT với cực cửa thả nổi bằng vật liệu hữu cơ Cytop.
(N,N-diphenylamino)phenyl]-3-ethoxycarbonylcoumarin) và PMMA (Polym-
ethyl methacrylate). Trong khi đĩ, lớp màng Cytop đĩng vai trị như một cực
cửa thả nổi cĩ tính năng bẫy điện tử. Lớp bán dẫn của OTFT được chọn từ
vật liệu Pentacene vì tính phổ biến của bán dẫn trong chế tạo OTFT kênh
p. Kim loại đồng được chọn làm vật liệu để làm các điện cực vì giá thành rẻ.
Lớp Cytop hoạt động tương tự như một cực cửa thả nổi sẽ bẫy/giải phĩng
điện tử nhờ điện áp lập trình bên ngồi.
3.2.2. Cấu trúc chi tiết của cảm biến tích cực
 Cảm biến áp lực hữu cơ tích cực được tích hợp trên cơ sở cảm biến áp lực
hữu cơ điện dung sử dụng vật liệu PU và OTFT thường đĩng như được thể
hiện trong Hình 3.8(a).
 Hình 3.8(b) thể hiện sơ đồ tương đương của cảm biến áp lực hữu cơ tích
cực. Theo đĩ cảm biến làm việc ở điện áp cung cấp (VDS) thấp và khơng cần
điện áp cực cửa. Dịng điện IDS cĩ mối quan hệ tỉ lệ thuận với điện dung cực
cửa của OTFT. Khi cĩ lực tác động, điện dung của thành phần thụ động
tăng, làm cho điện dung cực cửa của OTFT tăng lên, dẫn tới dịng diện cực
máng IDS của OTFT tăng lên.
 55
Hình 3.8: (a) Cảm biến áp lực hữu cơ trên cơ sở OTFT và (b) sơ đồ tương đương của
 cảm biến.
3.3. Quy trình chế tạo cảm biến dựa trên OTFT thường đĩng
3.3.1. Quy trình chế tạo OTFT
 Các bước chế tạo OTFT được thể hiện trên Hình 3.9.
- Bước 1: Vệ sinh tấm nền ITO
 Tấm nền thủy tinh được mạ điện cực cửa ITO được vệ sinh bằng dung
 dịch isopropanol và aceton kết hợp với sĩng siêu âm. Sau đĩ được làm
 khơ để loại bỏ hơi nước trước khi xử lý bằng tia UV kết hợp với Ozon.
- Bước 2: Tạo lớp điện mơi cực cửa
 Các hợp chất hữu cơ DPA-CM và PMMA được hịa tan trong dung dịch
 chloroform với tỷ lệ phân tử 1:10. Sau đĩ lớp điện cực cửa được tạo ra
 trên tấm nền ITO thủy tinh bằng phương pháp quay phủ hợp chất DPA-
 56
 Hình 3.9: Mơ tả các bước chế tạo OTFT.
 CM và PMMA với tốc độ 4000 vịng/phút trong thời gian 1 phút. Sau đĩ
 tấm nền IOT được làm nĩng ở nhiệt độ 100 ◦C trong thời gian 60 phút
 để loại bỏ hơi nước và dung mơi cịn lại.
- Bước 3: Tạo lớp cực cửa thả nổi
 Cytop (CTX-809AP2, Asahi Glass, Japan) được hịa tan trong dung dịch
 fluoro carbon với tỷ lệ 0,5 khối lượng phần trăm dung dịch. Lớp màng
 Cytop được tạo ra bên trên lớp điện mơi cực cửa bằng phương pháp quay
 phủ với tốc độ 2000 vịng/phút trong thời gian 1 phút. Sau đĩ tấm nền
 ITO được làm nĩng ở nhiệt độ 100 ◦C trong thời gian 60 phút để loại bỏ
 hơi nước và dung mơi cịn lại.
- Bước 4: Loại bỏ một phần lớp Cytop và lớp điện mơi cực cửa
 Lớp Cytop và lớp điện mơi cực cửa DPA-CM:PMMA được loại bỏ một
 57
 phần trên bề mặt của tấm nền ITO, tại các vị trí của điện cực S/D/G.
- Bước 5: Tạo lớp bán dẫn Pentacene
 Lớp màng 30 nm bán dẫn pentacene được tạo ra trên bề mặt lớp Cytop
 bằng phương pháp bốc bay nhiệt độ cao với tốc độ bốc bay 0,02 nm/s ở
 áp suất 2Ư10−6 Torr.
- Bước 6: Tạo lớp điện cực S/D
 Các điện cực S/D được tạo ra bằng phương pháp bốc bay kim loại đồng
 (cu) nhiệt độ cao với tốc độ 0,1 nm/s tại áp suất 5Ư10−6 Torr qua mặt
 nạ. Độ dài (L) và độ rộng kênh (W ) tương ứng là 50 và 2000 µm.
- Bước 7: Đĩng gĩi
 Cuối cùng, để bảo vệ OTFT khỏi các tác động của oxy và nước trong
 khơng khí cũng như các tác động vật lý khác, OTFT được đĩng gĩi bằng
 glasscap sử dụng keo dán chuyên dụng. Quá trình đĩng gĩi được thực
 hiện trong buồng ni-tơ để tránh ảnh hưởng của các yếu tố mơi trường
 tới bán dẫn hữu cơ.
 Sau khi chế tạo, các OTFT được kiểm tra đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền
đạt sử dụng hệ thống đo, kiểm tra SCS4200 (Keithley, USA). Các dữ liệu kiểm
tra đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt được sử dụng để ước lượng độ linh
động điện tử và điện áp ngưỡng của OTFT. Hình 3.10 thể hiện hình ảnh của
OTFT và sơ đồ mạch tương đương của bốn OTFT cũng như sơ đồ kiểm tra
đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của OTFT.
 Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của OTFT được thể hiện trên Hình
3.11. Đối với đặc tuyến ra, như được thể hiện trên Hình 3.11(a), dịng điện
cực máng IDS tăng theo chiều tăng của điện áp cực cửa VGS. Tại vùng tuyến
 58
Hình 3.10: Hình ảnh của OTFT sau khi chế tạo (a), sơ đồ tương đương của bốn
 OFET (b), sơ đồ kiểm tra đặc tuyến ra (c) và đặc tuyến truyền đạt (d).
tính, giá trị IDS tăng tuyến tính theo VGS chứng tỏ rằng điện trở tiếp xúc tốt
giữa các lớp bán dẫn pentacene, điện cực S/D cũng như điện cực cửa. Sau
đĩ IDS tiến tới trạng thái bão hịa theo chiều tăng của VGS. Đây là đặc tuyến
điển hình của OTFT kênh P.
 Đường cong với biểu tượng hình vuơng trên Hình 3.11(b) thể hiện đặc
tuyến truyền đạt của OTFT. Tại điện áp VGS=0 V, OTFT ở trạng thái mở
 −13
(ngắt) với dịng IDS vào khoảng 10 A. Để OTFT chuyển trạng thái đĩng
 −
(dẫn), cần cung cấp điện áp cực cửa VGS = 20 V, khi đĩ dịng IDS cĩ giá
 −
trị bằng khoảng 10−6 A. Bên cạnh đĩ, đường cong với biểu tượng hình trịn
 −
thể hiện giá trị √IDS cũng được thể hiện để thực hiện ước lượng giá trị độ
linh động điện tử µ, và điện áp ngưỡng VTh của transistor.
 Về mặt lý thuyết, cũng giống với MOSFET silic (vơ cơ), mối quan hệ giữa
 59
 Hình 3.11: Đặc tuyến ra (a) và đặc tuyến truyền đạt (b) của OTFT.
dịng IDS và điện áp VGS được thể hiện theo cơng thức [83,95]:
 - Ở chế độ tuyến tính, với VDS < (VGS VTh):
 −
 1 W 2
 IDS = µCG 2(VGS VTh)VDS VDS . (3.1)
 2 L − −
  
  
 - Ở chế độ bão hịa, với VDS > (VGS VTh):
 −
 1 W 2
 IDS = µCG (VGS VTh) ; (3.2)
 2 L −
  
 60
 Trong đĩ W và L là độ rộng và độ dài kênh của transistor; CG là giá trị
điện dung lớp điện mơi cực cửa/đơn vị diện tích. Giá trị CG được đo bằng
máy đo LCR meter (Hioki 3522-50, Japan) cĩ giá trị là 14 pF/mm2.
 Bằng cách lấy căn bậc 2, cơng thức (3.2) cĩ thể được viết thành:
 1 W 1 W
 IDS = µCG VGS µCG VTh (3.3)
 s2 L × − s2 L ×
 p    
 Cơng thức (3.3) cĩ dạng phương trình bậc nhất biểu diễn mối quan hệ giữa
√IDS và VGS:
 y = a x + b (3.4)
 ×
Trong đĩ:
 1 W 1 W
 y = IDS; x = VGS; a = µCG ; b = µCG VTh (3.5)
 s2 L s2 L ×
 p    
 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa √IDS và VGS được thể hiện trên Hình
3.11(b) dựa trên kết quả khảo sát đặc tuyến truyền đạt. Bên cạnh đĩ, đường
thẳng (màu đỏ) được xây dựng từ các kết quả thực nghiệm sử dụng phần
mềm OriginLab với độ chính xác 99,81 %. Vì vậy cơng thức (3.4) cĩ thể được
biểu diễn dưới dạng:
 −5 −4
 y = 5 10 x 2 10 (3.6)
 − × − ×
 Từ cơng thức (3.5) và (3.6), cùng với các tham số đã biết của transistor
W , L và CG độ linh động điện tử µ và điện áp ngưỡng VTh của OTFT được
tính tốn tương ứng là 0,893 cm2/Vs và 4 V.
 −
 Bảng 3.1 thể hiện các tham số của transistor sau khi chế tạo. OTFT cĩ
độ linh động điện tử cao và điện áp ngưỡng thấp cĩ thể so sánh với các cơng
 61
trình nghiên cứu gần đây [81], [96] cĩ giá trị tương ứng là 0,09 cm2/Vs và 1,5
cm2/Vs
 Bảng 3.1: Các tham số kỹ thuật của OTFT
 Tham số Đơn vị đo Giá trị Ghi chú
 W µm 2000
 L µm 50 Tham số thiết kế
 2
 CG nF/cm 140 .
 µ cm2/Vs 0,893
 VTh V 4 Tham số tính tốn
 −
 −7
 Ion/Ioff - 10
3.3.2. Thiết lập OTFT sang trạng thái thường đĩng
 Như được thể hiện trên đặc tuyến truyền đạt ở Hình 3.11(b), sau khi chế tạo
OTFT ở trạng thái thường mở. Để chuyển transistor sang trạng thái thường
đĩng, cần thực hiện bước lập trình trạng thái thường đĩng cho OTFT.
Hình 3.12: Lập trình thường đĩng cho OTFT (a) và hình ảnh của bước lập trình (b).
 Hình 3.12 mơ tả sơ đồ khối quá trình lập trình trạng thái thường đĩng cho
OTFT và hình ảnh thực tế của bước lập trình. Một xung lập trình cĩ biên
 62
độ -20 V độ rộng xung 1 s được cấp tới cực cửa trong khi OTFT được chiếu
bởi tia UV. Tia UV cĩ bước sĩng λ = 365 nm được tạo ra từ nguồn phát
Omron ZUV và được đặt ở mức cơng suất 8,8 mW/cm2.
 Dưới tác dụng của điện áp lập trình và tia UV, các quang điện tử được tạo
từ các phân tử DPA-CM. Các điện tử này sẽ được bẫy ở mặt tiếp giáp giữa
lớp DPA-CM:PMMA và lớp Cytop, khi mật độ các điện tử đủ lớn để hút các
lỗ trống từ các điện cực vào lớp bán dẫn pentacene để tạo thành kênh dẫn.
Khi đĩ OTFT sẽ chuyển sang trạng thái đĩng mà khơng cần cấp điện áp VGS.
Để kiểm tra lập luận trên đây, đặc tuyến truyền đạt của OTFT sau khi lập
trình trạng thái thường đĩng đã được kiểm tra và thể hiện trên Hình 3.13.
Hình 3.13: Đặc tuyến truyền đạt của OTFT trước và sau khi lập trình thường đĩng.
 Sau khi lập trình, OTFT chuyển sang trạng thái thường đĩng với dịng
 −6
điện cực máng IDS của transistor ở mức 10 A tại giá trị điện áp cực cửa
 −
VGS=0 V. OTFT thường đĩng được phát triển sẽ giúp giảm cơng suất tiêu
thụ của linh kiện cũng như giảm độ phức tạp về phần cứng vì khơng cần
nguồn cung cấp cho cực cửa.
 63
3.4. Đánh giá tham số của cảm biến áp lực hữu cơ dựa trên
 OTFT thường đĩng
 Quá trình đánh giá tham số của cảm biến áp lực hữu cơ tích cực sử dụng
thiết bị nén thủy lực UH- 500 kN để tạo lực thử nghiệm, thiết bị do dịng
Fluke 87V được sử dụng để đo dịng điện IDS của cảm biến.
 Đặc tuyến và độ lặp lại của cảm biến khảo sát được thể hiện trên Hình
3.14. Đặc tuyến của cảm biến tích cực Hình 3.14(a) cĩ dạng gần tương đồng
với đặc tuyến của thành phần thụ động được thể hiện trên Hình 2.8(a).
Hình 3.14: (a) Đặc tuyến cảm biến tích cực sử dụng OTFT và (b) kết quả thử nghiệm
 đáp ứng của cảm biến đối với các áp lực lặp lại tại p = 0,65 MPa.
 Độ nhạy của cảm biến áp lực được tính theo dịng điện cực máng ID:
 64
 δ(∆IDS/IDS0)
 S = (3.7)
 ∆P
 Theo kết quả thử nghiệm, độ thay đổi dịng điện hiệu quả của cảm biến:
 δIDS IDSMax IDS0 5, 6 0, 8
 = − = − =6 (3.8)
 IDS0 IDS0 0, 8
 Giá trị này là lớn hơn đáng kể so với độ thay đổi điện dung hiệu quả
 CMax−C0
của thành phần thụ động C0 = 1, 070 (theo cơng thức (2.1)). Do đĩ,
độ nhạy của cảm biến tích cực được cải thiện đáng kể so với thành phần
thụ động.
 Bên cạnh đĩ, độ trễ của cảm biến cũng được cải thiện đáng kể, cụ thể độ
trễ cảm biến tính tốn dựa trên kết quả thử nghiệm (Hình 3.14b) như sau:
 σIDSH 0, 9 0, 8
 = − =1, 8% (3.9)
 IDSMax 5, 6
Với σIDSH là hiệu số giữa IDS sau chu kỳ áp lực thứ nhất với IDS0 (Hình
3.14b).
 Nguyên lý làm việc của cảm biến tích cực cĩ thể được giải thích cơ bản
dựa trên sơ đồ biểu diễn sự phân bố điện tích và điện trường của cảm biến
Hình 3.15.
 Hình 3.15: Sơ đồ mơ tả sự phân bố điện tích và điện trường của cảm biến tích cực.
 65
 Theo đĩ, khi được kết nối với nguồn, cảm biến cĩ sự phân bố điện tích
trên thành phần thụ động và các lớp của OTFT thường đĩng như được thể
hiện trên Hình 3.15. Đồng thời, các điện trường E~S và E~G được tạo ra bên
trong thành phần thụ động và bên trong lớp điện mơi cực cửa. Khi cĩ lực
tác dụng, điện tích của cảm biến thụ động thay đổi làm cho điện trường E~S
thay đổi, dẫn tới cường độ điện trường tổng E~td = E~S +E~G thay đổi theo lực
tác động. Điện trường E~td thay đổi dẫn tới thay đổi mật độ các lỗ trống tạo
thành kênh dẫn bên trong lớp bán dẫn pentacene, làm thay đổi dịng điện
đầu ra IDS của OTFT.
 Khi kết hợp với OTFT, độ trễ của cảm biến được cải thiện đáng kể,
Hình 3.16.
Hình 3.16: So sánh độ trễ cảm biến: (a) Đáp ứng cảm biến thụ động với độ trễ 7,7 %
 và (b) đáp ứng cảm biến khi kết hợp với OTFT với độ trễ 1,8 %.
 66
 Các tham số của cảm biến thụ động và cảm biến sử dụng OTFT được
trình bày tại Bảng 3.2.
 Bảng 3.2: Các tham số cơ bản của cảm biến thụ động và cảm biến tích cực
 Cảm biến tích cực
 Tham số cảm biến Cảm biến thụ động
 (TP thụ động+OTFT)
 (0-3) kPa 8 10−2 35 10−2
 × ×
 Độ nhạy (3-30) kPa 2,42 10−2 12 10−2
 × ×
 kPa−1 (30-200) kPa 2,98 10−3 16 10−3
 × ×
 (0,2-0,65) MPa 1,18 10−4 6,5 10−4
 × ×
 Trễ cảm biến, % 7,7 1,8
 Diện tích, cm2 (7 7) (7 7)
 × ×
 Điện áp làm việc, V 5 2
 −6
 Cơng suất tiêu thụ 0,42 W 11,2 10 W
 ×
 Như được thể hiện trên Bảng 3.2, độ nhạy của cảm biến tăng lên từ 4 đến
5 lần sử dụng kết hợp với OTFT đặc biệt là ở đầu dải áp lực. Độ trễ cảm
biến giảm xuống từ 7,7 % xuống cịn 1,8 %. Trong khi đĩ, với điện áp làm
việc thấp và khơng cần điện áp cực cửa, cơng suất tiêu thụ lớn nhất của cảm
biến ở mức thấp vào 11,2 10−6 W. Tuy nhiên, cơng suất tiêu thụ thấp cũng
 ×
làm tăng thêm độ phức tạp đối với thiết bị đọc tín hiệu của cảm biến (dịng
điện cỡ µA).
 Bảng 3.3 so sánh các tham số cảm biến tích cực với một số cơng trình
nghiên cứu tiêu biểu gần đây. Theo đĩ, cảm biến phát triển bởi luận án cĩ độ
nhạy ở mức tương đương cĩ thể so sánh được với các cảm biến gần đây trong
Bảng 3.3. Ưu điểm của cảm biến tích cực theo đề xuất của luận án mang lại
những cải thiện: Dải áp lực làm việc rộng, diện tích lớn, điện áp làm việc
thấp và cơng suất tiêu thụ nhỏ.
 67
 Bảng 3.3: So sánh kết quả đánh giá của cảm biến dựa trên OTFT thường đĩng
 với một số nghiên cứu gần đây
 Khoảng đo/ Tham
 Vật liệu bán dẫn/ Độ linh động Điện áp
 STT Giá trị Độ nhạy khảo,
 Diện tích cảm biến (cm2/Vs) làm việc
 đo max năm
 PiI2T-Si (0-60) 8,4 VGS: -200 V [81]
 1 2,45
 2 −1
 1 cm kPa kPa VDS: -200 V 2013
 Rubrene (0-20) 0,55 VGS: -80 V [34]
 2 1
 2 −1
 64 mm kPa kPa VDS: -20 V 2010
 PDPP3T 192 VGS: -60 V [82]
 3 0,34 (0-20) kPa
 2 −1
 (1 2) mm kPa VDS: -60 V 2015
 ×
 Pentacene (0-300) VGS: -2 V [91]
 4 0,028 20 mN
 2
 1 cm Pa VDS: -2 V 2016
 PIDT-BT:TCNQ 10 17,95 VGS: -2 V [83]
 5 NA
 2 −1
 49 mm kPa kPa VDS: -2 V 2019
 −4
 DNTT 360 2,2 10 VGS: -2 V [97]
 6 0,56 ×
 2 −1
 (5 5) mm kPa kPa VDS: -2 V 2018
 ×
 Graphene 3 0,205 VGS: 25 V [62]
 7 212
 2 −1
 (0,6 0,6) mm MPa kPa VDS: 0,1 V 2018
 ×
 Pentacene 0,65 0,35 VGS: 0 V Luận án
 8 0,893
 2 −1
 (7 7) cm MPa kPa VDS: -2 V này
 ×
 Xét cơng suất tiêu thụ của cảm biến sử dụng OTFT, vì IGS IDS nên cĩ
 ≪
thể bỏ qua dịng IGS, khi đĩ cơng suất tiêu thụ của cảm biến chủ yếu được
tính qua dịng IDS. Cơng suất tiêu thụ lớn nhất của cảm biến được tính dựa
trên dịng IDS và điện áp VDS, theo đĩ, cảm biến phát triển bởi luận án cĩ
điện áp làm việc nhỏ, cơng suất thấp ở mức tương đương, cĩ thể so