一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法技术方案

本发明专利技术涉及一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法，系统的上电极的下表面与铁电感知薄膜的上表面贴合连接；铁电感知薄膜的下表面与铁电介电薄膜的上表面通过中电极进行键合；铁电介电薄膜的下表面与界面缓冲层连接；柔性基底的表面与下电极贴合连接；可通过外围调节电路对铁电感知薄膜施加一定的电压，进而调整系统灵敏度；铁电介电薄膜用于根据铁电感知薄膜产生的感知信号产生铁电极化，实现感知信号的非易失性存储。本发明专利技术实现了在线实时调控系统的灵敏度以适应不同的应用场景、减少信号干扰和失真，且数据无须通过系统总线在感知单元和存储单元不断传输交互，提高了系统的信号存储带宽并降低了系统功耗。功耗。功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法


[0001]本专利技术涉及传感器与存储器
，特别是涉及一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法。

技术介绍

[0002]传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号输出。近年来，随着材料科学和先进制造技术的发展，涌现了大批高性能、低成本的柔性传感器，这极大地扩展了传统硅基传感器在可穿戴设备、电子皮肤、健康医疗等领域的应用。
[0003]但通常而言，传感器一旦设计或制备完成后，器件的灵敏度就已经基本确定。但是在实际中形式各样的复杂应用场景，单个型号的传感器很难满足所有场景的应用需求，其中灵敏度是关键参数之一。较小的灵敏度无法精确地感知待测量微弱的变化，容易造成无法检测关键信号；而较大的灵敏度容易受到外部环境的干扰，产生过多的冗余信号和噪声，为后续的信号处理与分析带来较大的挑战。
[0004]另外，在典型的设计中，传感单元与存储单元在物理上是分开的，因为它们的功能要求和制造技术不同。传感器一般只具备感知待测量的功能，且其输出是模拟信号，首先需要经过A/D转换模块转变为数字信号，在主控单元的控制下经过数据总线与外围的存储模块进行数据存储和交互。因此，传感器单元在获取大量原始数据后必须将这些数据传输到外围的存储单元中，这会在能耗、响应时间、数据存储、通信带宽和安全性方面产生重大问题。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，包括：上电极、铁电感知薄膜、中电极、铁电介电薄膜、界面缓冲层、下电极和柔性基底；所述上电极的下表面与所述铁电感知薄膜的上表面贴合连接；所述上电极用于感知外界刺激量；所述铁电感知薄膜的下表面与所述铁电介电薄膜的上表面通过所述中电极进行键合；所述铁电感知薄膜用于根据所述作用力产生相应的电信号；所述铁电介电薄膜的下表面与所述界面缓冲层连接；所述柔性基底的表面与所述下电极贴合连接；所述铁电介电薄膜用于根据所述电信号进行铁电畴翻转，实现感知信号的非易失性存储。
[0008]优选地，所述上电极、所述铁电感知薄膜和所述中电极组成感知部分，所述上电极和所述中电极均连接有灵敏度调控电路，所述灵敏度调控电路对铁电感知薄膜施加调制电压，所述调制电压用于改变所述铁电感知薄膜的极化态，以调整系统的感知灵敏度。
[0009]优选地，所述中电极、所述铁电介电薄膜和所述下电极组成存储部分，所述脉冲电
压通过所述中电极传递给下层的所述铁电介电薄膜，以改变所述铁电介电薄膜的极化态，实现感知信号的非易失性存储。
[0010]优选地，为实现感知信号的量化存储，所述铁电感知薄膜的个数为1个，所述铁电感知薄膜为单个多级化态的铁电介电薄膜；
[0011]当采用双极化态的铁电介电薄膜时，所述双极化态的铁电介电薄膜为铁电介电薄膜阵列，每个所述铁电介电薄膜采用并联的方式与相邻的所述铁电感知薄膜连接。
[0012]优选地，系统感知灵敏度的调节方法为：
[0013]获取第一公式；所述第一公式为其中，ΔV为铁电感知薄膜两端的电压变化值，ΔF为施加在铁电感知薄膜两端的刺激，其中下标表示t
α
、t
β
时刻；
[0014]获取第二公式；所述第二公式为铁电感知薄膜z轴的感知系数计算公式，具体为：其中，ω为铁电感知薄膜的z轴感知系数，F为施加在铁电感知薄膜上的刺激，Q为铁电感知薄膜上下两端产生的电荷，C和V分别为铁电感知薄膜的电容和电压；
[0015]根据所述第一公式和所述第二公式得到理论系统灵敏度；所述理论系统灵敏度的计算公式为：S'为所述理论系统灵敏度；
[0016]根据所述理论系统灵敏度确定系统的实际灵敏度为：
[0017][0018]其中，g
m
为铁电感知薄膜的电导值；S为所述实际灵敏度；
[0019]所述铁电感知薄膜极化值的计算公式为P
∝
E
∝
ω；其中，P为铁电感知薄膜的极化强度，E是施加到铁电感知薄膜上的外界电压；当温度超过临界温度电T
c
时，铁电感知薄膜变为顺电相，其中P＝ε0χE；ε0是铁电感知薄膜的介电常数，χ是在所述外界电压的作用下铁电感知薄膜产生的电位移。
[0020]优选地，所述铁电感知薄膜的厚度范围为10nm
‑
1μm；所述柔性基底的材料包括云母片、PI或PEN耐高温柔性基材，所述柔性基底的厚度范围为10μm
‑
125μm。
[0021]优选地，所述铁电感知薄膜的材料包括二氧化铪、铪锆氧、PZT、聚偏氟乙烯或所述聚偏氟乙烯的共聚物或相应材料的不同掺杂相；
[0022]另外，所述铁电介电薄膜的材料包括二氧化铪、铪锆氧和聚偏氟乙烯或所述聚偏氟乙烯的共聚物。
[0023]优选地，所述上电极、所述中电极或所述下电极的材料均包括氮化钛、钨、ITO、钼、钛金和铂。
[0024]优选地，所述双极化态的铁电介电薄膜阵列用于根据统计学分析方法对感知信息进行量化处理：
[0025][0026]其中，ρ
S
为感知信息的量化值、M
A
为存储数字信息为“1”的阵列数存储极化量、k为总的存储阵列数、L
S
为铁电感知薄膜的全量程感知上限。
[0027]一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统的集成方法，应用于上述在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，所述集成方法包括：
[0028]采用脉冲激光沉积或ALD技术在一个柔性基底上沉积制备铁电感知薄膜，并利用金属溅射技术在柔性基底的表面沉积制备上电极，以构成感知薄膜部分；
[0029]采用金属溅射沉积或气相沉积技术在另一个柔性基底上沉积制备下电极，并利用原子层沉积技术在所述下电极的表面生长铁电介电薄膜，以构成介电薄膜部分；
[0030]将所述感知薄膜部分和所述介电薄膜部分通过阵列中电极进行键合。
[0031]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0032]本专利技术提供了一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法，当对系统施加一定的压力刺激后，由于压电效应，铁电感知薄膜会生成一定大小的脉冲电压信号，从而实现信号感知的功能(压力信号
→
脉冲电压信号)；生成的脉冲电压信号通过中电极传递到下层的铁电介电薄膜，使得铁电介电薄膜的极化状态发生变化(例如从上极化态编程下极化态)，从而存储数字电路中的“0”或“1”，实现信息的存储功能(脉冲电压信号
→
极化值信号)。可以通过对上层的铁电感知薄膜施加一定幅值和方向的电压信号，可以改变其本征极化态，本征极化态的改变会影响感知薄膜的感知系数(即器件感知灵敏度)，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，其特征在于，包括：上电极、铁电感知薄膜、中电极、铁电介电薄膜、界面缓冲层、下电极和柔性基底；所述上电极的下表面与所述铁电感知薄膜的上表面贴合连接；所述上电极用于感知外界刺激量；所述铁电感知薄膜的下表面与所述铁电介电薄膜的上表面通过所述中电极进行键合；所述铁电感知薄膜用于根据所述作用力产生相应的电信号；所述铁电介电薄膜的下表面与所述界面缓冲层连接；所述柔性基底的表面与所述下电极贴合连接；所述铁电介电薄膜用于根据所述电信号进行铁电畴翻转，实现感知信号的非易失性存储。2.根据权利要求1所述的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，其特征在于，所述上电极、所述铁电感知薄膜和所述中电极组成感知部分，所述上电极和所述中电极均连接有灵敏度调控电路，所述灵敏度调控电路对铁电感知薄膜施加调制电压，所述调制电压用于改变所述铁电感知薄膜的极化态，以调整系统的感知灵敏度。3.根据权利要求1所述的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，其特征在于，所述中电极、所述铁电介电薄膜和所述下电极组成存储部分，所述脉冲电压通过所述中电极传递给下层的所述铁电介电薄膜，以改变所述铁电介电薄膜的极化态，实现感知信号的非易失性存储。4.根据权利要求1所述的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，其特征在于，为实现感知信号的量化存储，所述铁电感知薄膜的个数为1个，所述铁电感知薄膜为单个多级化态的铁电介电薄膜；当采用双极化态的铁电介电薄膜时，所述双极化态的铁电介电薄膜为铁电介电薄膜阵列，每个所述铁电介电薄膜采用并联的方式与相邻的所述铁电感知薄膜连接。5.根据权利要求2所述的在线灵敏度式调节方法，其特征在于，系统感知灵敏度的调节方法为：获取第一公式；所述第一公式为其中，ΔV为铁电感知薄膜两端的电压变化值，ΔF为施加在铁电感知薄膜两端的刺激，其中下标表示t
α
、t
β
时刻；获取第二公式；所述第二公式为铁电感知薄膜z轴的感知系数计算公式，具体为：其中，ω为铁电感知薄膜的z轴感知系数，F为施加在铁电感知薄膜上的刺激，Q为铁电感知薄膜上下两端产生的电荷，C和V分别为铁电感知薄膜的电容和电压；根据所述第一公式和所述第二公式得到理论系统灵敏度；所述理论系统灵敏度的计算公式为：S'为所述理论系统灵敏度；根据所述理论系统灵敏度确定系统的实际灵敏度为：其中，g
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小栓，汪学沛，李志刚，冯欢欢，傅轶凡，王想，夏劼，莫贤彬，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：