基于浮置延伸栅极有机场效应晶体管（FEG-OFET）的非接触无污染高分辨率静电成像技术及其工业应用

这篇研究报道了一种基于128单元浮置延伸栅极有机场效应晶体管（FEG-OFET）阵列的高分辨率（36.3 dpi）静电成像系统，解决了传统方法在电子制造业中检测亚毫米级静电荷分布（static marks）时存在的空间分辨率不足和样品污染问题。该系统通过柔性印刷工艺实现非接触式定量测量，灵敏度达30 pC cm-2，可清晰成像聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上1 mm的静电荷图案，为半导体和印刷电路板质量控制提供了创新解决方案。

　　

1 引言

静电失衡引发的静电荷积聚在电子制造业中可能导致组件失效甚至火灾事故，其中亚毫米级正负电荷混合的"静电标记（static marks）"因电场远场抵消效应难以检测。传统方法如叶片静电计（leaf electrometers）和表面电位计（surface potentiometers）存在分辨率不足（>10 mm）或成本高昂（>100美元/像素）的缺陷，而双色碳粉（dual-color toners）会污染样品。近年来基于微机电系统（MEMS）和电容传感器的技术仍受限于分辨率或操作复杂性，亟需开发非接触、高分辨率且定量化的解决方案。

2 结果与讨论

2.1 单器件性能

FEG-OFET采用溶液法制备，以聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）为柔性基底，银纳米颗粒墨水印刷电极，并沉积聚对二甲苯（parylene）绝缘层。有机半导体层使用二己基-二噻吩并苯并二噻吩（DTBDT-C₆）与聚苯乙烯（polystyrene）共混，其深HOMO能级（-5.16 eV）赋予优异的环境稳定性。128个器件均表现出p型特性，阈值电压-0.07±0.06 V，迁移率0.67±0.17 cm² V^-1 s^-1，开关比10⁴-10⁵。通过金属块间接施加电场验证灵敏度，检测限达300 V cm^-1（等效电荷密度30 pC cm^-2）。

2.2 阵列设计与成像

1D阵列采用16×8被动矩阵布局，单元间距700 μm（36.3 dpi），每个FEG面积680×680 μm²。扫描速度680 μm s^-1时，成功捕获PET膜上1 mm静电荷图案，与双色碳粉验证结果一致。非接触模式下（距离2-1000 μm），信号强度随距离增大而衰减，400 μm时降至50%。帧率受限于电路读取速度（1.26 fps），但器件本征截止频率>1 kHz，理论可提升至62.5 fps。

2.3 稳定性验证

20次重复扫描（间隔2小时）显示图像高度一致，归因于DTBDT-C₆的化学稳定性及parylene对界面陷阱的抑制。阈值电压6小时内仅漂移-0.86 V，证实系统适用于工业场景的长时间监测。

3 结论

该技术通过FEG结构放大电场调制效应，实现了迄今最高分辨率（36.3 dpi）的静电成像，未来可通过光刻进一步微型化。在半导体和PCB行业微型化趋势下，这种非破坏性检测工具为静电引起的产品缺陷防控提供了新范式。

4 实验方法

器件采用喷墨印刷银电极（150°C退火）和五氟苯硫醇（PFBT）自组装单层修饰电极，提升空穴注入效率。介电阻挡放电处理的PET膜作为测试样品，通过多孔陶瓷平台移动实现扫描，数据采集由LabVIEW系统完成。