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新型微納結構的柔性E+E壓力傳感器
隨著信息社會的發展,物聯網技術的不斷進步,人們對周邊環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越廣泛的應用,使用數量已非常可觀。不僅如此,該類器件已經為社會生活的多個方面帶來了革命性變化,被廣泛的應用在機器人,可穿戴電子設備,人機交互,智能蒙皮等領域,針對柔性E+E壓力傳感器的研究也成為近年來的熱點。

新型微納結構的柔性E+E壓力傳感器
雖然相關研究不斷深入,但總體上仍不成熟,本文圍繞相關器件在理論模型、制作工藝和器件結構等方面存在的主要問題進行了深入系統的研究。基于當今主流的兩大電子器件柔性化方法(有機材料和無機半導體材料),分兩個方面進行探索。對于采用有機材料和納米材料的柔性E+E壓力傳感器,目前相關的研究還主要停留在材料和實驗上的探索,理論上的研究相對較少.基于這一現狀,針對不同機理和微觀結構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。分析結果能夠囊括很大一部分目前該領域的研究結果,基于對分析結果的討論以及對目前該領域內器件普遍不具有線性響應特性,高靈敏度只能維持在很小的低壓力區間而影響了實際應用這一現狀,提出了具有高斯隨機分布微結構和壓阻接觸復合型機理的器件模型。基于硅膠炭黑納米復合材料,制作封裝并測試了采用前述高斯隨機分布微結構柔性E+E壓力傳感器件。測試實驗驗證了該器件在0-14 k Pa范圍內具有線性響應特性,靈敏度達到13.8 k Pa-1,器件在400次循環實驗測試中保持穩定輸出。該器件能夠兼顧高靈敏度和寬線性響應范圍這兩大優勢,同時還具有良好的性能穩定性。基于這一優良特性,在該器件應用于柔性腕帶式心率測量系統和水下流體動力學探測領域進行了應用探索,取得良好的器件性能和實用效果。基于無機半導體材料本身的耐高溫特性,設計并制作了一款基于無機半導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材料作為襯底的柔性島橋式結構或波浪式結構,器件全部采用無機半導體材料。利用200nm氧化硅波浪形薄膜結構進行壓力傳感,而該結構同樣能夠承受一定的柔性應變。通過對整個器件進行背硅減薄實現柔性化。通過采用灰度光刻工藝實現精確可調的曲面犧牲層來實現具有特定力學性能的波浪形氧化硅薄膜并zui終實現了高密度的柔性傳感器陣列。

新型微納結構的柔性E+E壓力傳感器
通過器件AFM探針測試可知單個器件能夠實現8微牛范圍內的線性壓力傳感,等效線性壓力傳感范圍為0-29.6 k Pa。器件能夠實現zui小15mm的彎曲曲率半徑,在350攝氏度的高溫下保持結構的穩定性而不損壞。這一研究開拓了基于無機硅半導體材料柔性E+E壓力傳感器的應用領域,其優異的耐溫特性是傳統的有機柔性E+E壓力傳感器所無法替代的。