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在石墨烯片上集成ZnO纳米管的压力传感器阵列

2022-07-09 19:07:31

据麦姆斯咨询介绍,一维(1D)压电半导体纳米材料,例如纳米管、纳米线和纳米棒,在纳米级机电能量收集、电子产品、机器人系统和医疗服务中显示出巨大的应用潜力。

一维纳米管/纳米线可以在一个小空间内垂直构建和组织,以作为具有出色空间分辨率的力/压力传感架构。一维氧化锌(ZnO)纳米结构引起了人们的极大兴趣。当与压电效应、电子学和光子学相结合时,这些纳米结构经常被用作人工智能(AI)和医疗保健应用的传感工具。

对于尖端的机器人系统和人机交互来说,集成的触觉模块需要大规模整合压力传感器阵列,并且该阵列需要具有出色的空间分辨率、极高的灵敏度、较宽的传感频带和快速响应。目前,科学家们已经广泛研究了基于各种压力检测原理的可拉伸且柔韧的触觉传感器,例如基于电阻、电容、摩擦电和压电效应的传感器。

不同类型的触觉传感器表面结构SEM图像

不同类型的触觉传感器表面结构SEM图像

电阻式触觉传感器的功能组件包括在聚合物架构中的导电纳米颗粒。虽然这些传感器具有多个优点,例如具有调节空间分辨率的出色灵敏度、简单的工具设计和廉价的制造方法,但由于现有的不足(例如功耗大和温度影响),其适用范围受到限制。

最流行的触觉传感器基于电容检测原理,它具有功耗低、灵活性高、在宽压力范围内稳定的系统性能、出色的灵敏度等。在高分辨率的力/压力跟踪应用中使用电容式触觉传感器的主要缺点包括较大的器件尺寸、依赖于介电弹性体的传感器性能不一致、测量技术复杂等。

摩擦电式触觉传感器由于其自供电和能量收集能力而引起了科学家的兴趣。两个相互作用组件的摩擦电极性差异已被用于显示对各种应力感知的良好灵敏度。长期以来,动态压力检测一直被认为是摩擦电式传感器的一项艰巨任务。

由于压电式触觉传感器具有良好的灵敏度、快速响应和检测动态压力的能力,因此正获得广泛的研究。

将氧化锌(ZnO)和石墨烯结合在一起,打造卓越的触觉传感器

科学家们利用各种技术(包括复合材料和异质结构的形成,以及光子学和压电技术的融合)使得氧化锌基压电式触觉传感器表现出卓越的性能。压电式光电探测器已显示出高空间分辨率、快速反应时间以及器件灵活性。

技术要求高的生产方法会阻碍将一维氧化锌纳米结构集成到柔性基板上——作为用于高分辨率的力/压力跟踪的压电式传感器网格。一种关键的策略是翻转一维纳米结构并在一维纳米结构阵列的相对边缘上构建交叉电极网格。金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺可用于在石墨烯片上形成高质量、尺寸和位置可控的一维氧化锌纳米管(NT)网络。

最底部的石墨烯层调节氧化锌纳米管的尺寸和位置,并允许单独的氧化锌纳米管剥离,以产生最佳的交叉杆微电极。这些独特的一维纳米管结合在柔性衬底上,是电子皮肤中柔性触觉的合适基础硬件。由于石墨烯片对扭曲和弯曲具有很大的机械耐受性,因此它们直接用作柔韧的导电层以提高接触的鲁棒性。

在石墨烯片上集成ZnO纳米管的压力传感器阵列制造工艺

在石墨烯片上集成ZnO纳米管的压力传感器阵列制造工艺

这项研究工作使用石墨烯片上的氧化锌纳米管阵列来构建高密度、位置和尺寸可调控的压电传感器架构。可单独控制的传感像素网格是通过将探测器的最顶部和最底部电极以交叉排列方式组装而成的。

一组实验表明:由像素大小、每个像素中氧化锌纳米管的数量以及每个氧化锌纳米管的横向测量引起的力/压力的空间映射具有稳定性和一致性。在柔性平台上由氧化锌纳米管制成的基于肖特基二极管的触觉传感器实现了等效1058 dpi的空间分辨率。

研究团队还验证了独立式传感器网格在高分辨率触觉扫描方面的卓越灵活性和电气稳定性。这项研究有可能激起许多科研人员对一维压电式力/压力传感器阵列的兴趣,该传感器阵列在人机交互接口、智能皮肤以及纳/微机电系统中有多种用途。

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