新型微纳结构的柔性E+E压力传感器
随着信息社会的发展,物联网技术的不断进步,人们对周边环境信息的采集深度与广度不断提升,柔性E+E压力传感器作为一类十分重要的信息采集器件得到越来越广泛的应用,使用数量已非常可观。不仅如此,该类器件已经为社会生活的多个方面带来了革命性变化,被广泛的应用在机器人,可穿戴电子设备,人机交互,智能蒙皮等领域,针对柔性E+E压力传感器的研究也成为近年来的热点。

新型微纳结构的柔性E+E压力传感器
虽然相关研究不断深入,但总体上仍不成熟,本文围绕相关器件在理论模型、制作工艺和器件结构等方面存在的主要问题进行了深入系统的研究。基于当今主流的两大电子器件柔性化方法(有机材料和无机半导体材料),分两个方面进行探索。对于采用有机材料和纳米材料的柔性E+E压力传感器,目前相关的研究还主要停留在材料和实验上的探索,理论上的研究相对较少.基于这一现状,针对不同机理和微观结构的器件提出了不同的器件理论模型和一整套具有通用性的分析流程。分析结果能够囊括很大一部分目前该领域的研究结果,基于对分析结果的讨论以及对目前该领域内器件普遍不具有线性响应特性,高灵敏度只能维持在很小的低压力区间而影响了实际应用这一现状,提出了具有高斯随机分布微结构和压阻接触复合型机理的器件模型。基于硅胶炭黑纳米复合材料,制作封装并测试了采用前述高斯随机分布微结构柔性E+E压力传感器件。测试实验验证了该器件在0-14 k Pa范围内具有线性响应特性,灵敏度达到13.8 k Pa-1,器件在400次循环实验测试中保持稳定输出。该器件能够兼顾高灵敏度和宽线性响应范围这两大优势,同时还具有良好的性能稳定性。基于这一优良特性,在该器件应用于柔性腕带式心率测量系统和水下流体动力学探测领域进行了应用探索,取得良好的器件性能和实用效果。基于无机半导体材料本身的耐高温特性,设计并制作了一款基于无机半导体材料的耐高温柔性E+E压力传感器。不同于以往器件中仍旧采用有机材料作为衬底的柔性岛桥式结构或波浪式结构,器件全部采用无机半导体材料。利用200nm氧化硅波浪形薄膜结构进行压力传感,而该结构同样能够承受一定的柔性应变。通过对整个器件进行背硅减薄实现柔性化。通过采用灰度光刻工艺实现精确可调的曲面牺牲层来实现具有特定力学性能的波浪形氧化硅薄膜并zui终实现了高密度的柔性传感器阵列。

新型微纳结构的柔性E+E压力传感器
通过器件AFM探针测试可知单个器件能够实现8微牛范围内的线性压力传感,等效线性压力传感范围为0-29.6 k Pa。器件能够实现zui小15mm的弯曲曲率半径,在350摄氏度的高温下保持结构的稳定性而不损坏。这一研究开拓了基于无机硅半导体材料柔性E+E压力传感器的应用领域,其优异的耐温特性是传统的有机柔性E+E压力传感器所无法替代的。