可打印的和灵活的光电探测器通过可扩展的制造阅读应用gydF4y2Ba

技术不断融入我们的日常生活，印刷电子产品在未来成功无缝集成到引人注目的功能系统中发挥着至关重要的作用gydF4y2Ba^{1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba}。直观的用户界面代表了一个具有挑战性的应用程序，它可以弥合模拟和数字世界之间的差距，允许用户通过与电子增强的物理对象交互来控制技术gydF4y2Ba^{7 gydF4y2Ba}。如上所述，这些新型电子产品的灵活性和一致性使电子系统能够融入我们的日常生活，而不会改变我们与周围物体互动的方式gydF4y2Ba^{1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7 gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba9gydF4y2Ba}。gydF4y2Ba

印刷技术与溶液处理技术相结合，广泛应用于晶体管、二极管和光电探测器等电子元件的研究和开发中gydF4y2Ba^10gydF4y2Ba。与传统的半导体加工技术相比，印刷的低温工艺和低能耗、增材性质允许更可持续和环保的电子产品gydF4y2Ba^{2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba}。此外，这些技术与广泛的柔性衬底(例如，纸，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚酰亚胺，聚萘二甲酸乙二醇酯)兼容，这使得设备可以弯曲并符合任意形状。然而，在许多情况下，这种潜力被功能材料、基板、图案化技术和满足成本目标所需的吞吐量的竞争优化要求所削弱gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

文献中的多个系统利用印刷技术来实现用户界面gydF4y2Ba^{11gydF4y2Ba，gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba，gydF4y2Ba14gydF4y2Ba}。涉及印刷电子的应用示例包括PrintSense，这是一种用于平面、弯曲和柔性表面的多模态表面和近表面传感技术，它利用通用的交叉电极设计，喷墨打印在柔性基板上，用于触摸、接近、压力和弯曲传感gydF4y2Ba^15gydF4y2Ba。FlexTouch是一种超越商业触摸屏的远程触摸传感接口技术，使用印刷导电迹线作为更大范围的电容传感器gydF4y2Ba^16gydF4y2Ba。Multi-Touch Kit是一种在纸上打印的技术，可以在任意形状和表面上实现多点触摸感应gydF4y2Ba^17gydF4y2Ba。这些例子利用印刷导体的灵活性和低成本来快速迭代用户界面原型，可以无缝地嵌入到物理对象中。gydF4y2Ba

这些例子中的一个共同特点是，所使用的印刷电子设备只能通过相对简单的电路取代有限数量的传统传感器和电子设备。复杂的控制和通信电路还不能被印刷等效电路所取代。这主要是由于与传统电子产品相比，印刷设备的低性能(例如半导体迁移率和晶体管速度)和低制造均匀性等限制，这挑战了它们在商业上可行的系统中的采用gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba。柔性基板的光刻技术使得ARM精简指令集计算(RISC)微控制器可以在聚酰亚胺基板上实现gydF4y2Ba^18gydF4y2Ba，这为未来完全灵活的现实生活系统开辟了许多机会，同时也带来了相对较高的制造成本。当专为功能电路采用低成本印刷技术时，即使是最新的尝试也只能实现有限的功能，并且需要额外的传统电子电路才能按应用程序的预期运行gydF4y2Ba^{19gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba21gydF4y2Ba，gydF4y2Ba22gydF4y2Ba}。因此，目前，传统和新兴电子或技术的混合集成是将印刷元件的优点(例如，灵活性，一致性，低成本，快速原型)与传统电子的高性能和复杂功能相结合的最佳解决方案，以实现实际应用的实际系统gydF4y2Ba^{1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba}。gydF4y2Ba

将混合集成平衡向柔性和印刷技术移动的一种优雅方法是利用新兴材料和工艺的特定优势，同时使其大部分限制与应用无关。特别是，整体系统设计可以揭示利用低成本方法的可行方法，尽管内在性能或可变性的限制，并有可能大大拓宽这些新兴技术的可行应用范围。gydF4y2Ba

在这项工作中，我们报告了特定应用的印刷光电探测器，旨在通过纸上的光学孔检测环境光，以检测增强书的打开页面gydF4y2Ba^23gydF4y2Ba。探测器是开发在一个最低限度的复杂的方式使用两个简单的制造步骤;演示20.9的开/关比，足以使用典型的微控制器的模数转换器(基于ATmega328 MCU)检测环境光的存在;并且可以承受超过100个1mm半径的弯曲循环，而不会影响最终演示器的检测能力。gydF4y2Ba

我们之前曾报道过我们在增强纸上的工作，它使用一种书本形状的混合电子设备，将数字资产无缝地连接到纸上的印刷内容。在我们最新的发展中gydF4y2Ba^23gydF4y2Ba，我们创建了Magic Bookmark概念(图2)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)，它利用混合集成来创建一个灵活的、电子增强的书签，可以自动检测到书的打开页面，并在附近的显示器上触发相关的多媒体内容。混合魔法书签目前被用于实施气候末日审判书，这是一种混合印刷和数字设备，探索与气候紧急情况有关的当代问题。我们现在正在朝着一个完全可打印和灵活的用户界面的方向发展，用开发的灵活和可打印的探测器取代混合系统的传统光传感器，这些探测器是专门根据Magic Bookmark演示器的第二次实现的要求设计的。该实现使用光学传感器通过页面上的光学切口读取环境光二进制代码gydF4y2Ba^23gydF4y2Ba。参考传感器总是暴露以允许光照条件下的偏差，模数转换器用于读取每个传感器的输出，因为在低光照条件下产生的光生成输出可能不足以触发微控制器的输入阈值gydF4y2Ba^23gydF4y2Ba。然而，开发的探测器的使用可以扩展到任何需要光甚至触摸输入的用户界面。gydF4y2Ba

在这项工作中报告的制造简单性和检测性能允许用主流功能材料制成的完全可打印和灵活的光电探测器很容易地集成到用户界面中。据我们所知，这是人机交互(HCI)系统领域的第一次演示，该系统允许人类通过物理对象与数字世界进行交互，其中传感无需复杂的处理步骤或依赖于传统货架传感器的混合集成即可实现。gydF4y2Ba

在下一节中，我们将为用户界面中使用的光传感器设置必要的要求。接下来，我们概述了氧化物和有机半导体光电探测器的发展，并评估了它们的适用性。最后，我们演示了如何将这些设备集成并用于实际应用，作为功能混合系统的一部分，该系统具有用于环境光传感的完全可打印和柔性光电探测器。gydF4y2Ba

应用程序需求gydF4y2Ba

在现实生活中利用新兴技术和设备的关键是了解每一类应用程序的要求，并有选择地应对相应的技术挑战。在这项工作中开发的光电探测器针对用户界面进行了优化，特别是针对增强的纸张生态系统gydF4y2Ba^{23gydF4y2Ba，gydF4y2Ba24gydF4y2Ba}。检测的前提是用户与之交互的纸张表面必须存在入射光，相反，增强对象的其他部分(在这种情况下是书的其他页面)不存在入射光gydF4y2Ba^25gydF4y2Ba。在这种应用中，光源要么是一种室内光(例如，led，卤素灯)，要么是室外阳光充足的条件。因此，我们用于测试开发的器件的输入光谱覆盖了如图所示的大部分可见波长。gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba。此外，Magic Bookmark系统依赖于环境光的检测，并使用参考传感器来适应阵列内传感器之间的操作偏差。这为制造变异性和老化效应提供了卓越的容忍度，大大减少了对材料、工艺和性能优化的需求。相反，探测器应该能够可靠地区分两种状态，黑暗(用手或纸覆盖的传感器)和光明(暴露在光线下的传感器)。gydF4y2Ba

光电探测器的两个重要特性是可制造性和可持续性。制造过程应该是可扩展的，即与卷对卷印刷等大规模制造技术兼容，使用低能源和最小废物添加剂技术的生态友好型，并且产量应该高，以保持低最终生产成本。最后，光电探测器需要灵活并适应各种表面，以便与日常物品轻松集成。例如，Magic Bookmark应用程序需要在书签上安装灵活的传感器，以使系统看起来和感觉起来像一个典型的书签。gydF4y2Ba

在接下来的章节中，我们概述了传感器的发展和主要特征。然后，我们展示了将开发的设备与现有的增强纸生态系统集成的方法。gydF4y2Ba

氧化物半导体-光电探测器结构gydF4y2Ba

为了进行概念演示，考虑到上述要求，我们选择了以下两种易于加工的架构和材料:(1)玻璃上的简单平面金属-半导体-金属架构(图1)。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba(2)在Si/SiO2晶圆上具有全局栅极的平面金属-半导体-金属结构(图2)。gydF4y2Ba2 bgydF4y2Ba)。前者提供了一种简单的解决方案，易于大规模制造，只有两个主要的制造步骤(电极沉积和半导体沉积)。所有层都可以根据需要轻松喷墨打印，以快速成型和定制光电探测器设计。低温工艺允许用塑料基板代替玻璃，如聚酰亚胺(PI)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。第二种架构在一定程度上难以稳定可靠地转化为柔性基板，因为使用可打印的绝缘体不仅会增加制造成本，还会增加弯曲、应力和绝缘体质量的另一个故障点，使这种简单且可扩展的解决方案复杂化。gydF4y2Ba

本实验中使用的材料为Ag作为电极，以及掺杂铝的ZnO (AZO)，因为它们与喷墨打印的兼容性和AZO的光敏性(波段图见补充图)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。数字gydF4y2Ba2 f, ggydF4y2Ba图4为用溅射银电极在不同制造步骤下的器件。gydF4y2Ba2 hgydF4y2Ba是一个全印刷光电探测器。gydF4y2Ba

氧化物半导体-吸收gydF4y2Ba

虽然制造工艺简单且非常适合目的，但测量的ZnO和AZO油墨的光学性质与我们的特定目标不一致。如图2所示。gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba半导体主要在紫外线范围内吸收，因此，环境检测可能存在问题和次优。我们使用广谱源进行测量，以获得基本的电特性，并评估平面电极结构的操作和适用性。此外，可能还有相关的应用，其中专用光源可能与可见盲光电探测器结合使用，以实现类似的功能。可以使用这种方法的一个例子是混合魔法书签的第三个实现，它依赖于页面上光线的反射率，并使用一系列专用光源gydF4y2Ba^23gydF4y2Ba。就Magic Bookmark的可用性而言，这种方法具有最佳的总体结果。然而，在这项工作中没有探索专用的印刷和柔性发光器件，因此重点仍然是实现依赖光学孔径的系统的第二次迭代。重要的是要强调氧化物器件的主要电气性能，这可能为实现进一步的用户界面系统开辟机会，有目的地利用在可见范围之外的响应。gydF4y2Ba

氧化物半导体。光电探测器的电特性gydF4y2Ba

与简单的玻璃结构相比，整体栅极结构的电性能测量显示出更好的可控开/关比和增强的操作。结果如图2所示。gydF4y2Ba2 i, jgydF4y2Ba，例如，显示门控光电探测器(图1)。gydF4y2Ba2我gydF4y2Ba)，漏极对源偏置为5v (gydF4y2BaVgydF4y2Ba_DSgydF4y2Ba)和20v栅极到源电压(gydF4y2BaVgydF4y2Ba_GSgydF4y2Ba)的开/关比比简单金属-半导体-金属器件的开/关比高8倍(图2)。gydF4y2Ba2 jgydF4y2Ba)也在5 V偏置电压和相同的光照条件下(栅极是指晶圆片的Si全局栅极，源极和漏极是指由于对称而可互换的溅射或印刷电极)。这是由于栅极的作用，它在通道中诱导电荷积累，从而提高电导率并使放大成为可能。相反，简单的非门控器件仅依赖于通道中光生电荷的提取。使用图1所示的电位分压器电路。gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba-左将电流转换为电压测量值，我们得到如图所示的输出。gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba-对。使用典型的低功率模拟数字转换器(详细分析请参见下面的“有机半导体光电探测器”一节)，光与暗条件下的电压差低于200 mV，足以检测光的存在。电流输出如图1所示。gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba也用于获得图1所示的关断和开断时间。gydF4y2Ba2 egydF4y2Ba。1.6秒的开启时间对于用户界面来说是可以接受的，因为这些通常是依赖于人类动作的低频应用，比如操纵、按压或敲击传感器来触发动作。gydF4y2Ba

氧化物半导体-适用范围gydF4y2Ba

对称金属-半导体-金属结构在制造工艺和操作方面的简单性，使其适合前面概述的应用要求。这些设备可以很容易地按需打印，这意味着它们可以很容易地根据每个应用的大小和形状进行调整。gydF4y2Ba

然而，材料与所需光谱的吸光度不匹配太大，不容忽视。该装置将在非常广谱的照明(即太阳辐射)下工作，但对于可见光范围内较窄发射光谱的室内光源，操作可能会受到不必要的阻碍。因此，下一步将探索另一种更合适的半导体。gydF4y2Ba

有机半导体-光电探测器结构gydF4y2Ba

基于氧化物半导体器件的研究结果，下一个发展阶段选择了简单的金属-半导体-金属结构。有机半导体由于其固有的灵活性和与溶液处理的兼容性更适合于这种应用。pcdbt:PCBM混合物沉积在用于氧化物半导体器件的相同的交错银电极图案的顶部(带图如图1所示)。gydF4y2Ba4摄氏度gydF4y2Ba)。该器件在玻璃和柔性聚酰亚胺基板上制造，以玻璃器件作为基准，评估其多次弯曲循环后的性能。数字gydF4y2Ba3gydF4y2Ba图2所示为柔性基板上有机光电探测器的两步制造工艺。gydF4y2Ba3 bgydF4y2Ba展示了在聚酰亚胺(左、中)和玻璃(右)上制备的阵列的图片。gydF4y2Ba

有机半导体-吸收gydF4y2Ba

与ZnO和AZO相比，pcdbt:PCBM共混物的吸收光谱更适合应用要求。如图所示。gydF4y2Ba3 cgydF4y2Ba这两种材料相互补充，吸收了大部分可见波长，因此与测试灯的光谱相匹配。gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba)。此外，所选择的两种材料是一个良好的供体/受体组合，可以很容易地处理正确的相分离，确保充分的电荷分离和光生载流子的收集，尽管对称的电极结构(光导体结构)。gydF4y2Ba^26gydF4y2Ba。随着时间的推移，人们观察到OgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba进一步掺杂半导体，从而增加暗电流和影响开/关比。这可以解释在实验之间提到的开/关比率的任何差异，因为每个实验都是在同一设备上的不同时间点进行的。由于性能对于应用程序来说已经足够了(这将在后面讨论)，因此这个观察结果超出了本文的讨论范围。gydF4y2Ba

有机半导体。光电探测器的电特性gydF4y2Ba

研究了柔性光电探测器的电学性能。从20个器件中获得统计结果，以评估制造成品率和结果的可重复性。数字gydF4y2Ba3 dgydF4y2Ba显示了柔性探测器的通断电流的变化。由于柔性衬底的无真空自旋涂层，导致半导体层厚度不均匀，这在很大程度上与工作电流的大传播有关。柔性器件处理的这种限制的指示见图。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba同样的统计数据在玻璃上的设备产生更低的价差。例如，在10v偏置电压下，玻璃器件的光产生电流(亮起)的25-75%的变化比聚酰亚胺器件小1.7倍。平均而言，在10v偏置下(20.9)，玻璃上器件的开/关比也更好，如图所示。gydF4y2Ba4 bgydF4y2Ba)比柔性器件高1.4倍(如图14.9所示)。gydF4y2Ba3 egydF4y2Ba)。还测量了探测器的导通和关断时间，并在补充图中提供。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

尽管在玻璃上的光电探测器性能优越，但柔性器件仍然可以在它们正在开发的增强纸生态系统中表现得足够好。在5 V偏置电压下，探测器的平均响应为1.05 nA/mW，总有效面积为1.54 mmgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba。这个电流是非常小的，但被发现是足够的所需的功能。在我们的场景中，照明应该足以提供舒适的阅读体验，因此系统不太可能需要在低入射光条件下运行。尽管如此，即使对电池结构、材料混合或电极工作功能进行最小的优化，也应该能够使电池在非常昏暗的环境光线下成功地进行页面检测。gydF4y2Ba

让我们考虑一个带有5v电源的ATmega328微控制器，这是许多知名开发板(例如Arduino UNO和Arduino Nano)的常见组合，以及从测量的柔性光电探测器获得的平均电流值和基本的电流到电压转换方案。带着黑暗的电流gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_{黑暗gydF4y2Ba}= 225 pA和电位分压器电路(图1)。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)与10 MΩ电阻将导致电压降为gydF4y2BaVgydF4y2Ba_{R_darkgydF4y2Ba}= 2.25 mV穿过电阻。与5v电源相比，这个下降很小，我们可以假设被测设备上的电压和通过它的电流不会受到很大影响。点亮电流为gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_光gydF4y2Ba= 3.1 nA，电阻上的降将是gydF4y2BaVgydF4y2Ba_{R_lightgydF4y2Ba}= 31 mV。处理器配备了10位模数转换器(adc)，最简单的默认配置是使用5v轨作为参考电压。这将导致以下步骤gydF4y2BaVgydF4y2Ba_{ADC_stepgydF4y2Ba}= 5/2gydF4y2Ba^10gydF4y2Ba= 4.88 mV，即gydF4y2BaVgydF4y2Ba_{R_darkgydF4y2Ba}将被读取为模拟地(因为2.25/4.88 = 0.46→0或步进0x00即0 V)，并且gydF4y2BaVgydF4y2Ba_{R_lightgydF4y2Ba}将被读取为29.28 mV(完整:31/4.88 = 6.35→6或步骤0x06，即4.88*6 = 29.28 mV)。这意味着测量误差e = - 5.5%，如果使用内部1.1 V ADC基准，则可以进一步降低到- 3.3%。应该注意的是，ADC针对输出阻抗约为10 kΩ或更小的模拟信号进行了优化，因此在测量之前应缓冲传感器输出，以避免给测量电路带来负载。这在系统的控制端很容易实现。gydF4y2Ba

对所开发的光电探测器的重要特性，包括其灵活性、可靠性和鲁棒性进行了评估。探测器绕着半径为1毫米的杆反复弯曲100次，施加拉伸应力，每20次弯曲循环测量一次开关电流。已经测试了该器件的两次迭代，其中一次具有更厚(~100 nm)的半导体层(结果如图2所示)。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)，以及具有薄(~ 30nm)半导体层的(图2)。gydF4y2Ba5 bgydF4y2Ba)。30nm器件的开/关比更优越，因为暗电流更低，这可能是由于半导体层更薄，并且弯曲仅在40次弯曲循环后才开始影响结果。然而，导通电流比图中得到的结果低一个数量级。gydF4y2Ba3.gydF4y2Bad和gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，因此首选100纳米结构。gydF4y2Ba

在100纳米器件中，即使是那些在反复弯曲中表现出更大退化的器件，也可以在上述微控制器场景下充分运行。假设相同的暗电流为225 pA，开/关比为5(在100个1 mm半径的弯曲周期后)，照明下的电流将为1.13 nA(在电位分压器电阻上为11.3 mV)，产生步进0 × 0A (1.1 V参考)，即10.74 mV，因此测量误差将为- 4.65%。gydF4y2Ba

上述数学分析是基于通断电流的平均值，但进行了实验室测试来验证它。这些设备的表现比计算预测的要好。数字gydF4y2Ba6 b, cgydF4y2Ba显示不同电源电压下的测量电压和电流。看起来，更高的电源电压会导致更好的电流，因此，更好的预期性能。然而，随着供应的减少，这一比例增加。实际上，10v电源的电压开/关比为7.76,5v电源电压为7.72,3.3 V电源为9.62,1.8 V电源为11.80。然而，较小的输出电压使信号的数字化更加困难，噪声也更大(图2)。gydF4y2Ba6 dgydF4y2Ba)。因此，选择5v电源作为折衷方案，其结果是可测量和可区分的数量，并且也是常见的微控制器供电电压。事实上，基于图。gydF4y2Ba6 egydF4y2Ba， 5v电源甚至可以清楚区分测试灯的不同光设置(灯设置见补充表)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)。即使经过多次弯曲循环，实际器件仍保持可用性能，如图所示。gydF4y2Ba6 fgydF4y2Ba;先前弯曲的7.89的电压开/关比降低到3.68，但根据上面讨论的典型ADC性能的理论计算仍然可以区分。gydF4y2Ba

有机半导体-适合的应用gydF4y2Ba

与基于氧化物的探测器类似，金属-半导体-金属结构的简单性使其易于按需和大规模制造。该工艺易于在柔性基板上实现，这对应用至关重要，并且即使在多次弯曲循环后，柔性器件也能稳定可靠地运行。此外，有机半导体混合物在增强纸张应用和用户界面所需的可见范围内显示出出色的吸光度，并且当用于电位分压器电路以检测光的存在时，电输出是足够的。由于所使用的材料与印刷技术本身是兼容的，因此计划将光电探测器的完全印刷实现及其稳定性评估作为下一步工作。gydF4y2Ba

总的来说，开发的柔性光电探测器提供的功能非常适合用户界面系统中的输入传感器，例如Magic Bookmark。gydF4y2Ba

电路集成gydF4y2Ba

将所开发的器件与功能系统集成是在实际条件下评估光电探测器的必要条件。因此，我们使用内部开发的可扩展集成技术来实现魔术书签系统，使用柔性有机光电探测器设计作为这项工作的一部分。如图所示。gydF4y2Ba7一个gydF4y2Ba在这种情况下，用激光切割一张聚酰亚胺片，使其具有必要的光学孔径。然后在切割的基板上涂上银基浆料，以实现传感器和电子系统之间的连接。在膏体烧结之前，当仍处于液体状态时，传感器(之前切成5条)被翻转并放置在孔的顶部。银浆既作为信号的电气连接，又作为粘合剂。在原型中，额外的胶带用于固定传感器并增加系统的稳健性。最后，在灵活书签条的末端添加一个标准连接器，以简化集成和测试。装配过程的各个阶段的图像如图所示。gydF4y2Ba7 bgydF4y2Ba。数字gydF4y2Ba7 cgydF4y2Ba展示了系统的演变，从使用传统光电二极管的混合集成书签(左)到使用专有光电探测器的完全可打印和柔性书签(中)。gydF4y2Ba

电流到电压的转换需要一个比较大的R_REF(电位分压器的参考电阻)值，如图所示。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)。原则上，这可以通过印刷或分配高电阻率油墨或浆料在柔性基板上实现gydF4y2Ba^{27gydF4y2Ba，gydF4y2Ba28gydF4y2Ba}。这种方法将在电气系统的临界点上增加另一个可变性源，并且需要将V_REF信号路由到柔性书签本身。事实上，在信号线上传递电流而不是电压信息是最好的，考虑到极低的电流和足够的电阻(3.29 mΩ/sq)，不相等的轨道长度是无关紧要的。gydF4y2Ba

测试卡如图1所示。gydF4y2Ba7 dgydF4y2Ba用于手动暴露和阻挡传感器的环境光，以测试其在实际条件下的操作。数字gydF4y2Ba7 egydF4y2Ba显示将可弯曲书签缠绕在一根杆子上，以演示其灵活性。最后的书签也用一本样品书进行了测试，样品书有光学孔，可以暴露传感器(参见补充视频)gydF4y2Ba1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。数字gydF4y2Ba7 fgydF4y2Ba在所有传感器暴露的页面顶部显示书签。在这种情况下，两个传感器在暴露于环境光时输出高值。相反，当只暴露一个传感器时(图1)。gydF4y2Ba7 ggydF4y2Ba)传感器2的读数高，而传感器1的读数低。因此，可以使用代表二进制代码的少量传感器来表示活动页码，这是通过这种灵活的Magic Bookmark原型实现的增强纸张生态系统所需要的。由于检测器也可以检测多个光级，因此可以优化编码，因为应用程序可以部分阻塞传感器，从而创建多电平逻辑代码。gydF4y2Ba

就具有更多页面的图书的可伸缩性而言，这种实现允许在一本典型的A5大小的图书中嵌入至少8个模块。使用5个光电探测器组，每比特产生15毫米× 5毫米的传感器模块。因此，能够寻址255页的8位系统将需要至少120毫米加上模块之间的额外间距，这可以舒适地容纳在A5页的210毫米高度内。消除由使用的阴影掩膜设计施加的制造限制将允许更高的集成率。gydF4y2Ba

以增强纸和Magic Bookmark作为参考应用，对环境光传感器设定了一系列关键要求，包括弯曲可靠性、制造可扩展性和可见光谱吸收。氧化物半导体的初步实验显示了简单的金属-半导体-金属结构的制造优势，但是所使用的ZnO和AZO油墨的吸光度谱可预见不合适。因此，我们配制了一种常见的有机半导体混合物(pcdbt:PCBM)，它被自旋涂覆在共面银交叉电极的顶部。该方法制备的光电探测器的开关比为7.89，经过100次半径为1 mm的弯曲循环后，开关比降至3.68。考虑到典型的微控制器(ATmega328)及其嵌入式ADC，这足以检测光的存在，同时检测不同的光水平，误差低至3.3%。这些结果表明了一种适用于环境光传感器阵列(如Magic Bookmark所需的传感器阵列)的鲁棒解决方案。gydF4y2Ba

开发的设备在原型中进行了集成和测试，以证明它们适合可扩展制造，这表明性能的可变性和电气性能随时间和弯曲而下降不会影响功能，因为Magic Bookmark的系统设计允许自校准，无论探测器类型如何，使用参考传感器。因此，我们设法设计、制造和表征了完全可打印和灵活的光电探测器，专门针对现实用户界面的要求进行了优化。gydF4y2Ba

我们的方法表明，即使是非常简单的制造技术和相对低性能的材料系统，也可以在大面积柔性电子应用中可行地使用，前提是系统定义必须严格考虑功能器件的优点和局限性。gydF4y2Ba

衬底制备gydF4y2Ba

预切割的20mm × 15mm玻璃基板来自Ossila(产品代码S151)。聚酰亚胺基板(75微米厚度)从RS电子(产品代码536-3968)获得。所有底物在丙酮和异丙酸中清洗，每种溶剂在超声波浴中清洗5 '，然后在200 W下进行5 '的氧等离子体。对于集成过程，聚酰亚胺片材使用Trotec Speedy300激光雕刻机和切割机以50%的功率和50%的速度切割，并用IPA湿巾清洁。gydF4y2Ba

Ag)电极gydF4y2Ba

对于喷墨打印，使用Dimatix DMP2800材料喷墨打印机沉积JET600 (Hirose Electronics) Ag油墨，然后在120°C下烧结30 '。对于溅射电极，使用来自Ossila的阴影掩膜(产品代码E323)，在200 W下溅射银20 '，获得一层厚的银(~300 nm)。gydF4y2Ba

氧化半导体沉积:ZnO和AZO油墨由GenesInk制造(产品代码分别为H-SZ01034和H-DZ01015)，购自Sigma Aldrich。使用Dimatix DMP2800材料喷墨打印机为每个器件沉积3层半导体，然后进行缓慢的斜坡退火(60°C为10 '，80°C为10 '，100°C为10 '，120°C为2小时)。gydF4y2Ba

有机半导体配方gydF4y2Ba

该有机半导体采用以下材料配制:Solaris (SOL4280L) pcdbt, NanoC (PCBM71X09) [C70]PCBM, Sigma Aldrich(产品代码240664)1,2-二氯苯，Sigma Aldrich(产品代码284513)氯苯。溶液的浓度为每毫升混合溶剂中含有14毫克pcdbt，每毫升混合溶剂中含有56毫克PCBM，每体积DCB:CB的比例为3:1。配方在氮气环境中进行，然后在室温下搅拌7天。gydF4y2Ba

有机半导体沉积gydF4y2Ba

配方完成后，将有机半导体混合物在环境中以2000 rpm的转速进行30”的自旋涂覆，产生约110 nm厚的半导体层。旋转涂层后，在热板上80°C退火10分钟。gydF4y2Ba

电气特性描述gydF4y2Ba

电气特性是使用探针站和Keysight B2902双通道源测量单元完成的。光源是肖特KL1500液晶冷光源，其测量的输出功率(使用Gentec P-Link (USB)功率计)从光电探测器的位置看到的各种设置总结在补充表中gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。此工作中使用的选项在表中突出显示。还测量了各种设置下灯的亮度强度，并在补充表中显示gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。根据表中的参考值，测试条件的亮度低于全日光条件(非阳光直射)，但比阅读灯更强。gydF4y2Ba

集成gydF4y2Ba

聚酰亚胺片被切割成一定尺寸，形成光孔。银膏是用Voltera V-one打印机涂在基板上的。光电探测器被切割成5组并并联。这些装置被翻转在未固化的银糊上，银糊既用于机械连接，也用于电气连接。然后将组件加热到80°C 35 '(受有机半导体限制的温度)以烧结银膏体。最后，设备可以用另一层胶带封装，以获得更好的机械稳定性，并在组件顶部卷曲连接器。gydF4y2Ba