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新型微納結(jié)構(gòu)的柔性E+E壓力傳感器
隨著信息社會(huì)的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步,人們對(duì)周邊環(huán)境信息的采集深度與廣度不斷提升,柔性E+E壓力傳感器作為一類十分重要的信息采集器件得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,使用數(shù)量已非常可觀。不僅如此,該類器件已經(jīng)為社會(huì)生活的多個(gè)方面帶來(lái)了革命性變化,被廣泛的應(yīng)用在機(jī)器人,可穿戴電子設(shè)備,人機(jī)交互,智能蒙皮等領(lǐng)域,針對(duì)柔性E+E壓力傳感器的研究也成為近年來(lái)的熱點(diǎn)。

新型微納結(jié)構(gòu)的柔性E+E壓力傳感器
雖然相關(guān)研究不斷深入,但總體上仍不成熟,本文圍繞相關(guān)器件在理論模型、制作工藝和器件結(jié)構(gòu)等方面存在的主要問(wèn)題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。基于當(dāng)今主流的兩大電子器件柔性化方法(有機(jī)材料和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料),分兩個(gè)方面進(jìn)行探索。對(duì)于采用有機(jī)材料和納米材料的柔性E+E壓力傳感器,目前相關(guān)的研究還主要停留在材料和實(shí)驗(yàn)上的探索,理論上的研究相對(duì)較少.基于這一現(xiàn)狀,針對(duì)不同機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)的器件提出了不同的器件理論模型和一整套具有通用性的分析流程。分析結(jié)果能夠囊括很大一部分目前該領(lǐng)域的研究結(jié)果,基于對(duì)分析結(jié)果的討論以及對(duì)目前該領(lǐng)域內(nèi)器件普遍不具有線性響應(yīng)特性,高靈敏度只能維持在很小的低壓力區(qū)間而影響了實(shí)際應(yīng)用這一現(xiàn)狀,提出了具有高斯隨機(jī)分布微結(jié)構(gòu)和壓阻接觸復(fù)合型機(jī)理的器件模型。基于硅膠炭黑納米復(fù)合材料,制作封裝并測(cè)試了采用前述高斯隨機(jī)分布微結(jié)構(gòu)柔性E+E壓力傳感器件。測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該器件在0-14 k Pa范圍內(nèi)具有線性響應(yīng)特性,靈敏度達(dá)到13.8 k Pa-1,器件在400次循環(huán)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中保持穩(wěn)定輸出。該器件能夠兼顧高靈敏度和寬線性響應(yīng)范圍這兩大優(yōu)勢(shì),同時(shí)還具有良好的性能穩(wěn)定性。基于這一優(yōu)良特性,在該器件應(yīng)用于柔性腕帶式心率測(cè)量系統(tǒng)和水下流體動(dòng)力學(xué)探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用探索,取得良好的器件性能和實(shí)用效果?；跓o(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料本身的耐高溫特性,設(shè)計(jì)并制作了一款基于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的耐高溫柔性E+E壓力傳感器。不同于以往器件中仍舊采用有機(jī)材料作為襯底的柔性島橋式結(jié)構(gòu)或波浪式結(jié)構(gòu),器件全部采用無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料。利用200nm氧化硅波浪形薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓力傳感,而該結(jié)構(gòu)同樣能夠承受一定的柔性應(yīng)變。通過(guò)對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行背硅減薄實(shí)現(xiàn)柔性化。通過(guò)采用灰度光刻工藝實(shí)現(xiàn)精確可調(diào)的曲面犧牲層來(lái)實(shí)現(xiàn)具有特定力學(xué)性能的波浪形氧化硅薄膜并zui終實(shí)現(xiàn)了高密度的柔性傳感器陣列。

新型微納結(jié)構(gòu)的柔性E+E壓力傳感器
通過(guò)器件AFM探針測(cè)試可知單個(gè)器件能夠?qū)崿F(xiàn)8微牛范圍內(nèi)的線性壓力傳感,等效線性壓力傳感范圍為0-29.6 k Pa。器件能夠?qū)崿F(xiàn)zui小15mm的彎曲曲率半徑,在350攝氏度的高溫下保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性而不損壞。這一研究開(kāi)拓了基于無(wú)機(jī)硅半導(dǎo)體材料柔性E+E壓力傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,其優(yōu)異的耐溫特性是傳統(tǒng)的有機(jī)柔性E+E壓力傳感器所無(wú)法替代的。