引言
触觉信息的准确感知是人机交互系统发展的关键，因此高灵敏度的集成化的压力传感器已经受到广泛关注，因其在智能便携设备和生物医学工程中具有重要应用。设计出具有高灵敏度的压力传感器的关键是集成大面积的高灵敏度的压力传感单元和稳定可信赖的弱信号探测器。基于压力传感机理，压力传感器可以被分为压阻式、电容式和压电（摩擦电）式。其基本原理都是结合对机械力的响应和信号的探测，对于机械力的快速响应有利于加快器件的响应时间，同时信号的放大将决定器件的灵敏度。因此，基于压电效应的材料适用于提高对于机械力的响应，然后结合具有快速开关的场效应晶体管，能够实现高灵敏度的压力传感器。
简介
基于该指导，山东大学晶体材料国家重点实验室桑元华副教授（通讯作者），刘宏教授（通讯作者）和山东大学海洋研究院的韩琳教授（通讯作者）设计了一种基于压电电子学的高灵敏柔性压力传感器。选用的ZnO纳米柱阵列，能对微小压力做出快速灵敏响应，该部分镀上电极后可作为压力传感单元；同时利用具有电子质量轻，电子迁移率高等优点的二维材料InSe制备得到场效应晶体管，该部分信号稳定，性能优良。本论文基于王中林院士在2007年所提出的压电电子学的基本原理，将ITO柔性导电玻璃上的大面积ZnO纳米柱阵列的压电性能所产生的电信号，通过创新性的连接方式，作为调控InSe场效应晶体管的栅极电压，从而实现对微弱电信号的灵敏检测，进而实现对于微小压力的检测，制备得到高灵敏的柔性压力传感器。相关成果以题为 Piezopotential gated two-dimensional InSe feld-effect transistor for designing a pressure sensor based on piezotronic effect 发表在国际著名期刊 Nano Energy 上。 山东大学博士生王孚雷和山东大学硕士生姜建峰为本文的共同第一作者。
插图
图1 ZnO纳米柱的基本材料表征
图2 在柔性ITO导电基底上的ZnO纳米柱的压电性能表征
图3 二维材料InSe和基于InSe的FET器件的相关表征
图4 基于InSe的FET器件的电学性质表征
图5 压电式压力传感器的结构图、该传感器的工作原理及其相应的性能测试
图6 不同负载重量条件下的ZnO纳米柱阵列所产生的压电电势
小结
通过集合ZnO纳米柱压电单元和基于InSe的FET器件来构建基于压电电子学的压电式压力传感器。ZnO纳米柱展现出对于压力超快和超高灵敏度的响应，能够基于压电效应实现对于机械能到电势能的转化。一个高性能的基于InSe二维材料的FET器件能够检测并且放大由ZnO纳米柱转换得到的微弱压电电势。通过ZnO纳米柱产生的微弱电势变化来控制InSe基FET器件所需的栅极电压，能够实现显著波动的电流输出。制备得到的该高灵敏的柔性压力传感器可以探测到最小0.1g微弱受力，对应0.22mV的微弱电流。本工作通过柔性压力传感器件与刚性微型放大器件的分体式集成，既有利于实现柔性部分的可穿戴功能，又能实现放大器部分的长久稳定的信号输出，这一研究为压电电子学应用进行了拓展，相信会在可穿戴电子器件和物联传感方面具有重要发展前景。
文献链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520300136
https://www.sohu.com/a/369888398_472924