專利名稱：一種高壓電響應(yīng)氧化鋅柔性壓力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓電響應(yīng)氧化鋅柔性壓力傳感器及其制備方法，屬于壓電材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在日常的生產(chǎn)生活和科學(xué)研究中，壓力傳感器的用途極為廣泛。壓力傳感器依托于材料的壓電特性，通過(guò)對(duì)元件施加壓力，產(chǎn)生極化電荷。表面電荷狀態(tài)的變化與變形量密切相關(guān)，從而可以根據(jù)電荷的多少來(lái)計(jì)算壓力或材料的微小變形。盡管壓力傳感器已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，但仍舊存在一些問(wèn)題?？萍嫉陌l(fā)展不能以破壞環(huán)境為代價(jià)。高壓電常數(shù)的材料目前還主要集中在鋯鈦酸鉛等含鉛陶瓷中。而鉛對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康都存在很大危害，因此國(guó)際上對(duì)鉛的使用也有了越來(lái)越多的限制。生產(chǎn)壓電材料必須另辟蹊徑，即無(wú)鉛化。然而， 通常情況下的無(wú)鉛壓電材料的壓電常數(shù)小，轉(zhuǎn)換效率低。因此，尋求一種能夠有效提高無(wú)鉛材料壓電轉(zhuǎn)換效率的方法，對(duì)產(chǎn)品的性能和環(huán)境保護(hù)都至關(guān)重要。氧化鋅是一種飛速發(fā)展的壓電材料，它以其便捷的制備工藝和無(wú)鉛化的環(huán)保理念受到了科研工作者們的廣泛關(guān)注。盡管氧化鋅有很多優(yōu)點(diǎn)，但其本征壓電常數(shù)不高。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者將大量研究投入到獲得高壓電常數(shù)的氧化鋅之中。例如，清華大學(xué)潘峰教授的課題組曾通過(guò)摻雜等方式提高了氧化鋅薄膜的壓電常數(shù)(專利公開號(hào)CN101118948)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于壓力傳感器已經(jīng)有了一定的研究。例如松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社的專利“壓電式壓力傳感器”闡述了一種以陶瓷壓電粉為主體的壓力傳感器 (專利公開號(hào)CN1250158)；愛普生拓優(yōu)科夢(mèng)株式會(huì)社的專利“壓力傳感器”，則設(shè)計(jì)了一種殼筒式復(fù)合結(jié)構(gòu)(專利公開號(hào)CN1920507)。通常情況下設(shè)計(jì)的壓力傳感器具有以下缺點(diǎn)陶瓷材料脆性大，無(wú)法彎折，不能用于測(cè)量表面不規(guī)則物體的壓力；尺寸大，無(wú)法用于微小地區(qū)的壓力測(cè)試；壓電常數(shù)低，對(duì)于壓力大的微小變化無(wú)法感知，導(dǎo)致靈敏度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種高壓電響應(yīng)氧化鋅柔性壓力傳感器及其制備方法，用摻雜的方法提高氧化鋅的壓電常數(shù)，進(jìn)而提高壓力傳感器的靈敏度，以開拓壓力傳感器的使用領(lǐng)域。本發(fā)明提出的高壓電響應(yīng)氧化鋅柔性壓力傳感器，包括上電極、氧化鋅摻雜層、下電極、柔性基底和導(dǎo)線；所述的上電極、氧化鋅摻雜層、下電極和柔性基底依次自上而下相疊而成，所述的上電極厚度為50 100納米，所述的氧化鋅摻雜層的厚度為80 120納米， 所述的下電極的厚度為40 80納米，所述的柔性基底的厚度為0. 05 0. 1毫米，所述的導(dǎo)線分別與上電極和下電極相連。本發(fā)明提出的高壓電響應(yīng)氧化鋅柔性壓力傳感器的制備方法，包括以下各步驟(1)在聚酰亞胺基體上沉積下電極，使下電極的厚度為40 80納米；
(2)在上述下電極上沉積摻雜了金屬的氧化鋅摻雜層，使氧化鋅摻雜層的厚度為 80 120納米，其中摻雜的金屬元素為釩或鐵，摻雜的金屬元素占氧化鋅的原子百分比為 釩為0 2. 5%，鐵為0 2. 6%，以獲得高壓電響應(yīng)的氧化鋅摻雜層；(3)在上述氧化鋅摻雜層上沉積上電極，使上電極的厚度為50 100納米；(4)在上述上電極和下電極上用銀膠粘接導(dǎo)線。本發(fā)明提出的高壓電響應(yīng)氧化鋅柔性壓力傳感器及其制備方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是1、靈敏度高。在探測(cè)裝置和壓力不變的條件下，靈敏度與壓電常數(shù)的大小和穩(wěn)定性密切相關(guān)。隨著壓電常數(shù)的增大，更微小的形變或壓力差異可以被探測(cè)。本發(fā)明方法制備的傳感器，由于在氧化鋅中摻雜了釩或鐵等不同金屬元素，因此可以獲得高靈敏度的壓力傳感器。2、由于本發(fā)明的制備方法，首先是在柔性基體上沉積制備傳感器，沉積形成的電極金屬也具有很好的延展性，氧化鋅層厚度很小也不影響彎折。因此，可以將其彎成蛋卷結(jié)構(gòu)，減小了一個(gè)維度的尺寸，將器件小型化。此外，當(dāng)傳感器受到壓力的面積較小的時(shí)候，這種蛋卷結(jié)構(gòu)能夠有效均勻化材料的應(yīng)變，并產(chǎn)生壓變累加效應(yīng)，從而增強(qiáng)電信號(hào)，提高壓力測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性。本發(fā)明的傳感器中的柔性材質(zhì)還可應(yīng)用于表面不規(guī)則物體的壓力測(cè)量，而且隨意彎折會(huì)使傳感器的攜帶更為便捷。


圖1是本發(fā)明提出的柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明傳感器用于小區(qū)域微小壓力測(cè)量時(shí)的蛋卷結(jié)構(gòu)形使用狀態(tài)圖。圖1和圖2中，1是上電極，圖2是氧化鋅摻雜層，3是下電極，4是柔性基底，5和 6是導(dǎo)線，用來(lái)與外部測(cè)量設(shè)備連接。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的高壓電響應(yīng)摻雜氧化鋅柔性壓力傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括上電極1、氧化鋅摻雜層2、下電極3、柔性基底4和導(dǎo)線5和6。上電極1、氧化鋅摻雜層2、 下電極3和柔性基底4依次自上而下相疊而成。上電極1的厚度為50 100納米，氧化鋅摻雜層2的厚度為80 120納米，下電極3的厚度為40 80納米，柔性基底4的厚度為 0. 05 0. 1毫米，導(dǎo)線5和6分別與上電極1和下電極3相連。本發(fā)明提出的高壓電響應(yīng)氧化鋅柔性壓力傳感器的制備方法，包括以下各步驟(1)在聚酰亞胺基體上沉積下電極，使下電極的厚度為40 80納米；(2)在上述下電極上沉積摻雜了金屬的氧化鋅摻雜層，使氧化鋅摻雜層的厚度為 80 120納米，其中摻雜的金屬元素為釩或鐵。摻雜的金屬元素占氧化鋅的原子百分比為 釩為0 2. 5%，鐵為0 2. 6%，以獲得高壓電響應(yīng)的氧化鋅摻雜層；(3)在上述氧化鋅摻雜層上沉積上電極，使上電極的厚度為50 100納米；(4)在上述上電極和下電極上用銀膠粘接導(dǎo)線。以下介紹本發(fā)明的實(shí)施例。1、采用直流磁控濺射的方法，在聚酰亞胺基體上沉積金屬下電極。下電極的金屬可以是銅、鋁、銀、金等導(dǎo)電性能良好的金屬。例如以銅作為靶材，使濺射腔的背底真空為10-5 10-4帕斯卡，濺射氣體為氬氣，濺射氣壓為0. 36帕斯卡，濺射功率為150瓦，濺射速率50納米每分鐘，濺射時(shí)間為1分鐘，使下電極的厚度為50納米。2、采用直流反應(yīng)濺射的方法，在上述下電極上沉積氧化鋅摻雜層。將摻雜金屬鐵片放在鋅靶上，金屬鐵片與鋅靶的面積比為金屬鐵片鋅靶=1 50，氬氣0.35帕斯卡， 氧氣0. 55帕斯卡，功率150瓦，濺射速率為3. 6納米每分鐘，濺射時(shí)間為28分鐘，使氧化鋅摻雜層的厚度為100納米。3、采用直流磁控濺射的方法，在上述氧化鋅摻雜層上沉積金屬上電極，上電極的金屬可以是銅、鋁、銀、金等導(dǎo)電性能良好的金屬。例如以銅作為靶材，使濺射腔的背底真空為10-5 10-4帕斯卡，濺射氣體為氬氣，濺射氣壓為0. 36帕斯卡，濺射功率為150瓦，濺射速率50納米每分鐘，濺射時(shí)間為2分鐘，使下電極的厚度為100納米。4、在上、下電極上用銀膠粘接導(dǎo)線，通過(guò)導(dǎo)線連入探測(cè)設(shè)備。本發(fā)明傳感器的工作原理如下按壓傳感器產(chǎn)生機(jī)械信號(hào)，再通過(guò)摻雜氧化鋅的壓電特性將物理形變轉(zhuǎn)化為極化電荷，向外電路輸出電信號(hào)。根據(jù)電信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)計(jì)算得到材料的變形量或計(jì)算得到施加的壓力。將本發(fā)明的多層膜形成的傳感器彎曲成蛋卷結(jié)構(gòu)，如圖2所示，可以被用于探測(cè)微小地區(qū)的壓力。這種結(jié)構(gòu)有效減小了一個(gè)維度的尺寸，因此能夠放入狹小的空間。此外，當(dāng)作用力區(qū)域較小的時(shí)候，這種蛋卷結(jié)構(gòu)能夠有效均勻化材料的應(yīng)變，并產(chǎn)生累加效應(yīng)，因此對(duì)小區(qū)域的壓電信號(hào)有穩(wěn)定和放大作用。本發(fā)明的柔性壓力傳感器還可用于不規(guī)則或不平直物體的壓力傳感。例如，用于簡(jiǎn)易脈搏測(cè)量時(shí)，它可以彎曲繞在手腕上。脈搏的跳動(dòng)對(duì)它的表面產(chǎn)生應(yīng)力，從而在測(cè)試裝置上形成脈沖狀曲線。再連入一個(gè)計(jì)數(shù)器和計(jì)時(shí)器，就可以對(duì)脈搏進(jìn)行測(cè)量。同樣的原理可以用于計(jì)步器。將它粘在鞋底，就能夠通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)統(tǒng)計(jì)步數(shù)。另外，它還可以用于輪胎測(cè)壓。它可以貼附在輪胎內(nèi)層，對(duì)輪胎所受壓力進(jìn)行監(jiān)控，防止爆胎。
權(quán)利要求
1.一種高壓電響應(yīng)氧化鋅柔性壓力傳感器，其特征在于該壓力傳感器包括上電極、氧化鋅摻雜層、下電極、柔性基底和導(dǎo)線；所述的上電極、氧化鋅摻雜層、下電極和柔性基底依次自上而下相疊而成，所述的上電極厚度為50 100納米，所述的氧化鋅摻雜層的厚度為 80 120納米，所述的下電極的厚度為40 80納米，所述的柔性基底的厚度為0. 05 0. 1 毫米，所述的導(dǎo)線分別與上電極和下電極相連。
2.一種如權(quán)利要求1所述的高壓電響應(yīng)氧化鋅柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于該方法包括以下各步驟(1)在聚酰亞胺基體上沉積下電極，使下電極的厚度為40 80納米；(2)在上述下電極上沉積摻雜了金屬的氧化鋅摻雜層，使氧化鋅摻雜層的厚度為80 120納米，其中摻雜的金屬元素為釩或鐵，摻雜的金屬元素占氧化鋅的原子百分比為釩為 0 2. 5%，鐵為0 2. 6%，以獲得高壓電響應(yīng)的氧化鋅摻雜層；(3)在上述氧化鋅摻雜層上沉積上電極，使上電極的厚度為50 100納米；(4)在上述上電極和下電極上用銀膠粘接導(dǎo)線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高壓電響應(yīng)氧化鋅柔性壓力傳感器及其制備方法，屬于壓電材料技術(shù)領(lǐng)域。本傳感器中，上電極、氧化鋅摻雜層、下電極和柔性基底依次自上而下相疊而成，上電極厚度為50～100納米，氧化鋅摻雜層的厚度為80～120納米，下電極的厚度為40～80納米，柔性基底的厚度為0.05～0.1毫米。本發(fā)明采用磁控濺射和直流濺射的方法沉積得到各種膜層。本發(fā)明方法制備的傳感器，由于在氧化鋅中摻雜了釩或鐵等不同金屬元素，因此可以獲得高靈敏度的壓力傳感器，并提高了壓力測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性。本發(fā)明的傳感器中的柔性材質(zhì)還可應(yīng)用于表面不規(guī)則物體的壓力測(cè)量，而且隨意彎折會(huì)使傳感器的攜帶更為便捷。
文檔編號(hào)H01L41/22GK102163687SQ20101059724
公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者曾飛, 楊晶, 潘峰 申請(qǐng)人:清華大學(xué)