CN102163687A - 一种高压电响应氧化锌柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压电响应氧化锌柔性压力传感器及其制备方法，属于压电材料技术领域。本传感器中，上电极、氧化锌掺杂层、下电极和柔性基底依次自上而下相叠而成，上电极厚度为50～100纳米，氧化锌掺杂层的厚度为80～120纳米，下电极的厚度为40～80纳米，柔性基底的厚度为0.05～0.1毫米。本发明采用磁控溅射和直流溅射的方法沉积得到各种膜层。本发明方法制备的传感器，由于在氧化锌中掺杂了钒或铁等不同金属元素，因此可以获得高灵敏度的压力传感器，并提高了压力测量的稳定性和可靠性。本发明的传感器中的柔性材质还可应用于表面不规则物体的压力测量，而且随意弯折会使传感器的携带更为便捷。

Description

一种高压电响应氧化锌柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高压电响应氧化锌柔性压力传感器及其制备方法，属于压电材料技术领域。

背景技术

在日常的生产生活和科学研究中，压力传感器的用途极为广泛。压力传感器依托于材料的压电特性，通过对元件施加压力，产生极化电荷。表面电荷状态的变化与变形量密切相关，从而可以根据电荷的多少来计算压力或材料的微小变形。尽管压力传感器已经产业化，但仍旧存在一些问题。科技的发展不能以破坏环境为代价。高压电常数的材料目前还主要集中在锆钛酸铅等含铅陶瓷中。而铅对生态环境和人类健康都存在很大危害，因此国际上对铅的使用也有了越来越多的限制。生产压电材料必须另辟蹊径，即无铅化。然而，通常情况下的无铅压电材料的压电常数小，转换效率低。因此，寻求一种能够有效提高无铅材料压电转换效率的方法，对产品的性能和环境保护都至关重要。

氧化锌是一种飞速发展的压电材料，它以其便捷的制备工艺和无铅化的环保理念受到了科研工作者们的广泛关注。尽管氧化锌有很多优点，但其本征压电常数不高。国内外很多学者将大量研究投入到获得高压电常数的氧化锌之中。例如，清华大学潘峰教授的课题组曾通过掺杂等方式提高了氧化锌薄膜的压电常数(专利公开号CN101118948)。

随着科学技术的发展，人们对于压力传感器已经有了一定的研究。例如松下电器产业株式会社的专利“压电式压力传感器”阐述了一种以陶瓷压电粉为主体的压力传感器(专利公开号CN1250158)；爱普生拓优科梦株式会社的专利“压力传感器”，则设计了一种壳筒式复合结构(专利公开号CN1920507)。

通常情况下设计的压力传感器具有以下缺点：陶瓷材料脆性大，无法弯折，不能用于测量表面不规则物体的压力；尺寸大，无法用于微小地区的压力测试；压电常数低，对于压力大的微小变化无法感知，导致灵敏度低。

发明内容

本发明的目的是提出一种高压电响应氧化锌柔性压力传感器及其制备方法，用掺杂的方法提高氧化锌的压电常数，进而提高压力传感器的灵敏度，以开拓压力传感器的使用领域。

本发明提出的高压电响应氧化锌柔性压力传感器，包括上电极、氧化锌掺杂层、下电极、柔性基底和导线；所述的上电极、氧化锌掺杂层、下电极和柔性基底依次自上而下相叠而成，所述的上电极厚度为50～100纳米，所述的氧化锌掺杂层的厚度为80～120纳米，所述的下电极的厚度为40～80纳米，所述的柔性基底的厚度为0.05～0.1毫米，所述的导线分别与上电极和下电极相连。

本发明提出的高压电响应氧化锌柔性压力传感器的制备方法，包括以下各步骤：

(1)在聚酰亚胺基体上沉积下电极，使下电极的厚度为40～80纳米；

(2)在上述下电极上沉积掺杂了金属的氧化锌掺杂层，使氧化锌掺杂层的厚度为80～120纳米，其中掺杂的金属元素为钒或铁，掺杂的金属元素占氧化锌的原子百分比为：钒为0～2.5％，铁为0～2.6％，以获得高压电响应的氧化锌掺杂层；

(3)在上述氧化锌掺杂层上沉积上电极，使上电极的厚度为50～100纳米；

(4)在上述上电极和下电极上用银胶粘接导线。

本发明提出的高压电响应氧化锌柔性压力传感器及其制备方法，其主要优点是：

1、灵敏度高。在探测装置和压力不变的条件下，灵敏度与压电常数的大小和稳定性密切相关。随着压电常数的增大，更微小的形变或压力差异可以被探测。本发明方法制备的传感器，由于在氧化锌中掺杂了钒或铁等不同金属元素，因此可以获得高灵敏度的压力传感器。

2、由于本发明的制备方法，首先是在柔性基体上沉积制备传感器，沉积形成的电极金属也具有很好的延展性，氧化锌层厚度很小也不影响弯折。因此，可以将其弯成蛋卷结构，减小了一个维度的尺寸，将器件小型化。此外，当传感器受到压力的面积较小的时候，这种蛋卷结构能够有效均匀化材料的应变，并产生压变累加效应，从而增强电信号，提高压力测量的稳定性和可靠性。本发明的传感器中的柔性材质还可应用于表面不规则物体的压力测量，而且随意弯折会使传感器的携带更为便捷。

附图说明

图1是本发明提出的柔性压力传感器的结构示意图。

图2是本发明传感器用于小区域微小压力测量时的蛋卷结构形使用状态图。

图1和图2中，1是上电极，图2是氧化锌掺杂层，3是下电极，4是柔性基底，5和6是导线，用来与外部测量设备连接。

具体实施方式

本发明提出的高压电响应掺杂氧化锌柔性压力传感器，其结构如图1所示，包括上电极1、氧化锌掺杂层2、下电极3、柔性基底4和导线5和6。上电极1、氧化锌掺杂层2、下电极3和柔性基底4依次自上而下相叠而成。上电极1的厚度为50～100纳米，氧化锌掺杂层2的厚度为80～120纳米，下电极3的厚度为40～80纳米，柔性基底4的厚度为0.05～0.1毫米，导线5和6分别与上电极1和下电极3相连。

本发明提出的高压电响应氧化锌柔性压力传感器的制备方法，包括以下各步骤：

(1)在聚酰亚胺基体上沉积下电极，使下电极的厚度为40～80纳米；

(2)在上述下电极上沉积掺杂了金属的氧化锌掺杂层，使氧化锌掺杂层的厚度为80～120纳米，其中掺杂的金属元素为钒或铁。掺杂的金属元素占氧化锌的原子百分比为：钒为0～2.5％，铁为0～2.6％，以获得高压电响应的氧化锌掺杂层；

(3)在上述氧化锌掺杂层上沉积上电极，使上电极的厚度为50～100纳米；

(4)在上述上电极和下电极上用银胶粘接导线。

以下介绍本发明的实施例。

1、采用直流磁控溅射的方法，在聚酰亚胺基体上沉积金属下电极。下电极的金属可以是铜、铝、银、金等导电性能良好的金属。例如以铜作为靶材，使溅射腔的背底真空为10-5～10-4帕斯卡，溅射气体为氩气，溅射气压为0.36帕斯卡，溅射功率为150瓦，溅射速率50纳米每分钟，溅射时间为1分钟，使下电极的厚度为50纳米。

2、采用直流反应溅射的方法，在上述下电极上沉积氧化锌掺杂层。将掺杂金属铁片放在锌靶上，金属铁片与锌靶的面积比为：金属铁片∶锌靶＝1∶50，氩气0.35帕斯卡，氧气0.55帕斯卡，功率150瓦，溅射速率为3.6纳米每分钟，溅射时间为28分钟，使氧化锌掺杂层的厚度为100纳米。

3、采用直流磁控溅射的方法，在上述氧化锌掺杂层上沉积金属上电极，上电极的金属可以是铜、铝、银、金等导电性能良好的金属。例如以铜作为靶材，使溅射腔的背底真空为10-5～10-4帕斯卡，溅射气体为氩气，溅射气压为0.36帕斯卡，溅射功率为150瓦，溅射速率50纳米每分钟，溅射时间为2分钟，使下电极的厚度为100纳米。

4、在上、下电极上用银胶粘接导线，通过导线连入探测设备。

本发明传感器的工作原理如下：

按压传感器产生机械信号，再通过掺杂氧化锌的压电特性将物理形变转化为极化电荷，向外电路输出电信号。根据电信号的强弱来计算得到材料的变形量或计算得到施加的压力。将本发明的多层膜形成的传感器弯曲成蛋卷结构，如图2所示，可以被用于探测微小地区的压力。这种结构有效减小了一个维度的尺寸，因此能够放入狭小的空间。此外，当作用力区域较小的时候，这种蛋卷结构能够有效均匀化材料的应变，并产生累加效应，因此对小区域的压电信号有稳定和放大作用。

本发明的柔性压力传感器还可用于不规则或不平直物体的压力传感。例如，用于简易脉搏测量时，它可以弯曲绕在手腕上。脉搏的跳动对它的表面产生应力，从而在测试装置上形成脉冲状曲线。再连入一个计数器和计时器，就可以对脉搏进行测量。同样的原理可以用于计步器。将它粘在鞋底，就能够通过脉冲计数来统计步数。另外，它还可以用于轮胎测压。它可以贴附在轮胎内层，对轮胎所受压力进行监控，防止爆胎。

Claims (2)

1.一种高压电响应氧化锌柔性压力传感器，其特征在于该压力传感器包括上电极、氧化锌掺杂层、下电极、柔性基底和导线；所述的上电极、氧化锌掺杂层、下电极和柔性基底依次自上而下相叠而成，所述的上电极厚度为50～100纳米，所述的氧化锌掺杂层的厚度为80～120纳米，所述的下电极的厚度为40～80纳米，所述的柔性基底的厚度为0.05～0.1毫米，所述的导线分别与上电极和下电极相连。

2.一种如权利要求1所述的高压电响应氧化锌柔性压力传感器的制备方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

(1)在聚酰亚胺基体上沉积下电极，使下电极的厚度为40～80纳米；

(2)在上述下电极上沉积掺杂了金属的氧化锌掺杂层，使氧化锌掺杂层的厚度为80～120纳米，其中掺杂的金属元素为钒或铁，掺杂的金属元素占氧化锌的原子百分比为：钒为0～2.5％，铁为0～2.6％，以获得高压电响应的氧化锌掺杂层；

(3)在上述氧化锌掺杂层上沉积上电极，使上电极的厚度为50～100纳米；

(4)在上述上电极和下电极上用银胶粘接导线。

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