基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器及其测量电路、标定系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器、测量电路、标定系统，包括受力底座和压电式传感单元，压电式传感单元包括两个水平方向平行且间隔设置的传感器芯片；传感器芯片包括依次层叠设置的基底层、粘合层、氧化锌种子层、PR窗口层、PDMS保护层、金属电极层；氧化锌种子层设有一个下电极；PR窗口层设有深槽，深槽中垂直生长着氧化锌纳米阵列，氧化锌纳米阵列与金属电极层之间接触形成应变敏感的肖特基势垒；金属电极层设有两个电极。本实用新型专利技术采用了垂直结构的氧化锌纳米阵列，利用氧化锌纳米阵列与金电极形成的肖特基异质结的巨压电效应极大地提升了传感器的灵敏度，实现了更高灵敏度与精确度的应变检测。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于微纳电子机械系统(MEMS/NEMS)传感器
，特别涉及一种基于巨压电效应的氧化锌垂直纳米阵列应变传感器及其测量电路、标定系统。
技术介绍
传统的金属或硅应变传感器形变范围较小、柔韧性差、响应速度较慢、应变系数也很低，已不能满足诸多超高灵敏应变测量领域的需求，因而在过去10年中基于可拉伸弯曲的纳米材料与高分子复合材料的应变传感器已被人们广泛关注与研究。目前一些纳米材料例如硅纳米线、石墨烯和氧化锌纳米结构都陆续被应用于MEMS/NEMS应变传感器。由于尺寸缩小导致纳米尺度效应增强，这些基于纳米结构的应变传感器通常灵敏度都比较高、响应速度快、功耗也低、抗冲击能力很强，在个人便携式与穿戴式消费电子产品等领域具有巨大的潜在应用价值。尽管如此，现阶段很多应用都是基于单根纳米线或者水平排列的纳米线阵列，这类纳米线应变传感器存在如下问题：(1)基于单纯压电效应或者压阻效应的纳米线应变传感器的灵敏度虽然相对于传统金属或硅应变传感器有了很大的提升，但是受传感器工作原理的限制，其灵敏度仍然很难达到超微量和高质量检测的要求；(2)这些纳米线应变传感器的感测信号受外加应变和环境温度的双重影响，尤其在超微量检测中，环境温度对结果的影响更大，导致灵敏度、测量精度和稳定性能下降，而目前的纳米应变传感器通常都缺少温度补偿措施。
技术实现思路
针对上述问题，本技术提出一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器及其测量电路、标定系统和制备方法，该全新结构的应变传感器采用了基于MEMS技术制备的垂直结构的氧化锌纳米阵列，利用了氧化锌纳米阵列与金电极形成的肖特基异质结的巨压电效应(结合压电效应与半导体效应的压电电子学效应)极大地提升了传感器的灵敏度，并且本技术采用了参考电路，通过差分信号处理排除了温度等共模噪声信号的影响，实现了更高灵敏度与精确度的应变检测。实现上述技术目的，达到上述技术效果，本技术通过以下技术方案实现：一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器，包括受力底座和压电式传感单元；所述受力底座位于压电式传感单元下方，压电式传感单元包括两个水平方向平行且间隔设置的传感器芯片；所述传感器芯片包括依次层叠设置的基底层、粘合层、氧化锌种子层、PR窗口层、PDMS保护层、金属电极层；所述氧化锌种子层设有一个下电极；所述PR窗口层设有深槽，深槽中垂直生长着氧化锌纳米阵列，氧化锌纳米阵列与金属电极层之间接触形成应变敏感的肖特基势垒；所述金属电极层设有两个电极。所述压电式传感单元中的其中一个传感器芯片作为测试模块，另一个传感器芯片作为差分参考电路模块；所述金属电极层上的两个电极均设有金属引线，分别用于连接电源和信号测量电路。所述受力底座由聚对苯二甲酸乙二酯塑料材料构成，粘合层由铬材料构成；PDMS保护层由聚二甲基硅氧烷材料构成。一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的测量电路，包括信号调理电路和信号控制电路，所述信号调理电路包括依次连接的差动放大器、带通滤波器、中间级放大电路和低通滤波器，差动放大器的输入端分别与氧化锌纳米阵列应变传感器中的两个传感器芯片的输出端连接；所述信号控制电路包括ADC转换器、稳压电源隔离器、信号隔离器、微处理器控制芯片和LCD液晶显示器；ADC转换器的输入端与信号测量电路的输出端连接，其输出端通过稳压电源隔离器和信号隔离器与微处理器控制芯片相连，微处理器控制芯片与LCD液晶显示器电连接。一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的标定系统，其特征在于：包括传感器标定装置、信号调理电路、控制箱、计算机、信号源和功率放大器；所述传感器标定装置包括：固定支架、电机驱动模块、移动杆，固定支架用于固定应变传感器的一端，电机驱动模块通过移动杆使应变传感器发生弯曲；所述信号调理电路将应变传感器的输出信号转换成电压量模拟信号传递给控制箱；控制箱内单片机采集电压量模拟信号，并转换成数字信号，通过RS232总线传递给计算机，控制箱同时接收计算机的传送指令，传递给信号源，信号源输出信号经功率放大器放大后传递给传感器标定装置，为传感器标定装置提供交流电压信号。一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的制备方法，包括以下步骤：S1：选用柔性材料作为受力底座，其表面长2-3cm，宽为1-2cm，厚度为250-300μm；S2：对受力底座的表面进行清洁处理，得到干净的柔性受力底座；S3：对受力底座表面进行风干，并利用直流溅射法在其表面形成基底层；S4：在基底层上表面依次放置40-60nm的粘合层和150-200nm的氧化锌种子层；S5：在氧化锌种子层表面旋涂2-3μm光刻胶，并进行旋转式开窗，形成PR窗口层；S6：利用热液法，在设定的环境温度和时间下，在PR窗口层中得到垂直的氧化锌纳米阵列；S7：在氧化锌纳米阵列表面旋涂保护层得到PDMS保护层，并进行加热固化处理；S8：以氧气与四氟化碳为1:3的比例，刻蚀15-20分钟暴露纳米线的顶部，起到电极连接的作用；S9：通过直流溅射法放置一层100-150nm的金属作为金属电极层；S10：在金属电极层的顶面做封装处理，完成基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器的制作。所述柔性材料选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚异戊二烯中的一种。所述步骤S2中，清洁处理包括：采用丙酮与异丙醇混合溶液和去离子水各冲洗聚对苯二甲酸乙二酯4-8分钟；步骤S3中采用氮气进行风干处理。所述步骤S6中，所述热液法包括：将步骤S5中得到的材料放置在16-22mmmol/L的六亚甲基四胺和16-22mmmol/L氧化锌和4％-6％体积的氨混合液里，所述设定的环境温度90°-105°，设定的时间为15-17小时。所述步骤S7中，加热固化处理包括在80-95摄氏度下固化1.5-2.5小时。本技术的有益效果：1、本技术的氧化锌纳米阵列应变传感器采用垂直方向的阵列式结构，具有单根纳米线或水平纳米线阵列不具备的超高的灵敏度，柔韧性和稳定性。2、本技术采用金属电极层与氧化锌纳米阵列接触形成肖特基势垒，比传统选用银电极的单纳米传感器具有更高的应变能力。3、本技术的其中一个传感器芯片作为参考电路，受力并不发生形变，另一个传感器芯片受力发生形变，两个芯片通过电路连接，通过差分信号处理，可极大改善温度干扰带来的影响。4、本技术采用垂直结构的氧化锌纳米阵列和结构上的温度补偿，方法简单，成本低，容易在产业上实现批量化生产。5、本技术提供了应变传感器标定装置，以保证量值的准确传递，检测了传感器是否可以进行动态测量，在后期对其主要技术指标进行校准，以确保其性能指标达到要求。6、本技术大幅度提高了氧化锌应变传感器的灵敏度和分辨率，同时减小温度外界环境的影响，并且采用传感器标定装置提高了检测数据的精度、灵敏度和可靠性。附图说明图1(a)为应变传感器整体结构示意图。图1(b)为应变传感器的金属电极层、氧化锌纳米阵列和肖特基势垒形成的结构示意图。图2为应变传感器芯片顶层俯视图。图3为应变传感器芯片与测量电路连接的系统结构图。图4为基于应变传感器的标定装置原理结构图。图5(a)(b)为标定应力与对数电流(μA)的实验数据及其拟合曲线图。图6(a)(b)(c)(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器，其特征在于：包括受力底座(11)和压电式传感单元；所述受力底座(11)位于压电式传感单元下方，压电式传感单元包括两个水平方向平行且间隔设置的传感器芯片；所述传感器芯片包括依次层叠设置的基底层(1)、粘合层(2)、氧化锌种子层(3)、PR窗口层(4)、PDMS保护层(5)、金属电极层(6)；所述氧化锌种子层(3)设有一个下电极(12)；所述PR窗口层(4)设有深槽，深槽中垂直生长着氧化锌纳米阵列(7)，氧化锌纳米阵列(7)与金属电极层(6)之间接触形成应变敏感的肖特基势垒(10)；所述金属电极层(6)设有两个电极(8)。

【技术特征摘要】
1.一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器，其特征在于：包括受力底座(11)和压电式传感单元；所述受力底座(11)位于压电式传感单元下方，压电式传感单元包括两个水平方向平行且间隔设置的传感器芯片；所述传感器芯片包括依次层叠设置的基底层(1)、粘合层(2)、氧化锌种子层(3)、PR窗口层(4)、PDMS保护层(5)、金属电极层(6)；所述氧化锌种子层(3)设有一个下电极(12)；所述PR窗口层(4)设有深槽，深槽中垂直生长着氧化锌纳米阵列(7)，氧化锌纳米阵列(7)与金属电极层(6)之间接触形成应变敏感的肖特基势垒(10)；所述金属电极层(6)设有两个电极(8)。2.根据权利要求1所述的一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器，其特征在于：所述压电式传感单元中的其中一个传感器芯片作为测试模块，另一个传感器芯片作为差分参考电路模块；所述金属电极层上的两个电极(8)均设有金属引线(9)，分别用于连接电源和测量电路。3.根据权利要求1所述的一种基于巨压电效应的氧化锌纳米阵列应变传感器，其特征在于：所述受力底座(11)由聚对苯二甲酸乙二酯塑料材料构成，粘合层(2)由铬材料构成；PDMS保护层(5)由聚二甲基硅氧烷材料构成。4.根据权利要求1所述的一种基于巨压电效应...

【专利技术属性】
技术研发人员：张加宏，李美蓉，李敏，葛益娴，陈剑翔，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32