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山東大學Nano Energy:基于壓電電子學的壓力傳感器
發布:lee_9124   時間:2020/2/4 19:00:35   閱讀:244 
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引言:

觸覺信息的準確感知是人機交互系統發展的關鍵,因此高靈敏度的集成化的壓力傳感器已經受到廣泛關注,因其在智能便攜設備和生物醫學工程中具有重要應用。設計出具有高靈敏度的壓力傳感器的關鍵是集成大面積的高靈敏度的壓力傳感單元和穩定可信賴的弱信號探測器?;趬毫鞲袡C理,壓力傳感器可以被分為壓阻式、電容式和壓電(摩擦電)式。其基本原理都是結合對機械力的響應和信號的探測,對于機械力的快速響應有利于加快器件的響應時間,同時信號的放大將決定器件的靈敏度。因此,基于壓電效應的材料適用于提高對于機械力的響應,然后結合具有快速開關的場效應晶體管,能夠實現高靈敏度的壓力傳感器。

簡介:

基于該指導,山東大學晶體材料國家重點實驗室桑元華副教授(通訊作者),劉宏教授(通訊作者)和山東大學海洋研究院的韓琳教授(通訊作者)設計了一種基于壓電電子學的高靈敏柔性壓力傳感器。選用的ZnO納米柱陣列,能對微小壓力做出快速靈敏響應,該部分鍍上電極后可作為壓力傳感單元;同時利用具有電子質量輕,電子遷移率高等優點的二維材料InSe制備得到場效應晶體管,該部分信號穩定,性能優良。本論文基于王中林院士在2007年所提出的壓電電子學的基本原理,將ITO柔性導電玻璃上的大面積ZnO納米柱陣列的壓電性能所產生的電信號,通過創新性的連接方式,作為調控InSe場效應晶體管的柵極電壓,從而實現對微弱電信號的靈敏檢測,進而實現對于微小壓力的檢測,制備得到高靈敏的柔性壓力傳感器。相關成果以題為Piezopotential gated two-dimensional InSe feld-effect transistor for designing a pressure sensor based on piezotronic effect發表在國際著名期刊Nano Energy上。山東大學博士生王孚雷和山東大學碩士生姜建峰為本文的共同第一作者。
 
【插圖】

圖1 ZnO納米柱的基本材料表征
 
 

圖2 在柔性ITO導電基底上的ZnO納米柱的壓電性能表征
 


圖3 二維材料InSe和基于InSe的FET器件的相關表征
 
 

圖4 基于InSe的FET器件的電學性質表征
 


圖5壓電式壓力傳感器的結構圖、該傳感器的工作原理及其相應的性能測試
 

 
圖6 不同負載重量條件下的ZnO納米柱陣列所產生的壓電電勢


 
 
【小結】

通過集合ZnO納米柱壓電單元和基于InSe的FET器件來構建基于壓電電子學的壓電式壓力傳感器。ZnO納米柱展現出對于壓力超快和超高靈敏度的響應,能夠基于壓電效應實現對于機械能到電勢能的轉化。一個高性能的基于InSe二維材料的FET器件能夠檢測并且放大由ZnO納米柱轉換得到的微弱壓電電勢。通過ZnO納米柱產生的微弱電勢變化來控制InSe基FET器件所需的柵極電壓,能夠實現顯著波動的電流輸出。制備得到的該高靈敏的柔性壓力傳感器可以探測到最小0.1g微弱受力,對應0.22mV的微弱電流。本工作通過柔性壓力傳感器件與剛性微型放大器件的分體式集成,既有利于實現柔性部分的可穿戴功能,又能實現放大器部分的長久穩定的信號輸出,這一研究為壓電電子學應用進行了拓展,相信會在可穿戴電子器件和物聯傳感方面具有重要發展前景。
 

來源:材料人網
 
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