CN111994866A - 一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器及其制备方法，属于光电位置传感器领域。为柔性衬底、薄膜和电极三层结构；底层是柔性衬底层，选用氟晶云母片；中间层是掺杂Cr的In2O3薄膜层，沉积在柔性衬底上；上层是电极层，电极层由两个条形电极构成，为光电信号的读取电极。可按所测量的电压或电流来辨别其光点的位置。通过机械弯曲样品，可以显著的提高位置探测的灵敏度，从而实现通过弯曲应变增强的紫外光电位置传感器。本发明提供的紫外光电位置传感器，结构简单、灵敏度高、透明性好，不需要额外的放大电路就可直接探测。
Description
技术领域
本发明属于光电位置传感器领域，具体涉及一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器及其制备方法。
背景技术
光电传感器通过光电转化实现光学信号与电信号的转化，是光电转换的核心器件之一，已经应用于现代工业和日常生活中的各个领域。光电位置传感器是一种对入射光斑位置敏感的光电传感器，其输出信号与光斑在光敏面上的位置有关。基于半导体横向光伏效应的光电位置传感器是一种20世纪80年代发展起来的光电测距器件，利用横向光伏效应产生的横向电场，实现器件对入射光位置的探测，其具有位置分辨率高、响应速度快、可靠性高等特点。
尽管光电位置传感器已被广泛的应用，但对于光电位置传感器的应用来说，其灵敏度和线性度是至关重要的，探索新的材料和结构来提高和改善光电位置传感器的性能受到广泛的关注。同时随着基础元器件尺寸的缩小和多功能集成度的提高，现有的光电传感器已渐渐不能完全满足应用的要求。特别是对于紫外光电位置传感器而言，提高灵敏度十分重要，同时一些特殊领域也对柔性和可见光透明性提出了应用的需求。
发明内容
本发明针对上述需求，提出了一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器及其制备方法。
一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器，如图1所示，由柔性衬底、薄膜和电极的三层结构组成；底层是柔性氟晶云母片的衬底层，厚度为5～50μm；中间层是掺杂Cr的In2O3薄膜层，厚度为0.02～1μm，Cr的质量分数为0.1～10％；顶层是电极层(电极层材料由单质金属材料、金属合金材料和导电的金属化合物中的一种或几种制成)，电极层由两个条形电极构成，厚度为0.02～1μm，为光电信号的读取电极。整个传感器具有弯曲形变，其曲率为-10～+10％mm-1。
本发明另一方面提供了一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器的制备方法，其步骤如下：
(1)清洗柔性衬底；
将氟晶云母片依次使用丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗，或者使用等离子清洗机进行清洗，使氟晶云母片表面无污染；
(2)运用脉冲激光沉积制备掺杂Cr的In2O3薄膜；
运用脉冲激光沉积技术，选用掺杂Cr的In2O3作为靶材料，氧气环境下在氟晶云母片上沉积掺杂Cr的In2O3薄膜；
(3)减薄柔性衬底层；
运用机械剥离的方式，将柔性的云母层减薄至5～50μm；
(4)制备电极；
采用真空镀膜、磁控溅射、激光沉积或丝网印刷方法，在掺杂Cr的In2O3薄膜上制备两个电极，将两个电极连接到外部电阻测量元件上，构成光电位置传感器；
(5)弯曲传感器得到弯曲应变增强的紫外光电位置传感器；
运用机械的方式将传感器进行弯曲，获得一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器。
上述步骤(2)中，脉冲激光沉积技术制备薄膜所用到的参数如下：掺杂Cr的In2O3靶材距离氟晶云母片的间距为40～70mm，腔内的氧分压为0.05～10Pa，氟晶云母片的温度为600～750℃，脉冲激光的频率为1～5Hz，沉积时间为0.1～2小时。
本发明的优点：
本发明采用常用的脉冲激光沉积生长方法，在可以直接购买到的氟晶云母片上，沉积掺杂Cr的In2O3薄膜并制备电极，再采用机械的方式弯曲衬底，利用薄膜上的弯曲应变所产生的挠曲电效应增强位置探测的灵敏度，进而获得一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器。该种通过弯曲应变增强的紫外光电位置传感器，结构简单、制作成本低、操作简便，具有较好的应用前景。同时，由于掺杂Cr的In2O3和氟晶云母都为可见光的透明材料，若电极材料也选用透明材料如ITO，则整个传感器将具有可见光透明的优良特性。
附图说明
图1是本发明所述的通过弯曲应变增强的紫外光电位置传感器的结构示意图；
各部分名称为：1为氟晶云母片、2为掺杂Cr的In2O3薄膜、3为电极；
图2是紫外光电位置传感器在未弯曲状态下、光脉冲照射到薄膜不同位置处，光电响应信号的测试图；
图3是紫外光电位置传感器在“u”型形变下产生压缩应变的结构示意图；
图4是紫外光电位置传感器在“u”型形变状态下、光脉冲照射到薄膜不同位置处，光电响应信号的测试图；
图5是紫外光电位置传感器在“n”型形变下产生拉伸应变的结构示意图；
图6是紫外光电位置传感器在“n”型形变状态下、光脉冲照射到薄膜不同位置处，光电响应信号的测试图。
具体实施方式
以下结合具体实施例详细介绍本发明技术方案的实现和特点，以帮助阅读者理解本发明的精神实质和有益效果，但不能构成对本发明可实施范围的任何限定。
实施例1
步骤1：清洗柔性衬底。
衬底选用10×2×0.2mm的氟晶云母片，交替使用丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗，使衬底表面无污染。
步骤2：运用脉冲激光沉积制备掺杂Cr的In2O3薄膜。
选用质量分数为5％的Cr掺杂In2O3靶材料，利用脉冲激光沉积技术，氧气环境下在氟晶云母片衬底上沉积掺杂Cr的In2O3薄膜。靶材距离氟晶云母片的间距为50mm，腔内的氧分压为0.1Pa，氟晶云母片温度为600℃，脉冲激光的频率为2Hz，沉积时间为20分钟，沉积完成后将氟晶云母片自然冷却到室温。
步骤3：减薄柔性衬底。
使用透明胶和小刀将厚度为0.2mm的氟晶云母片沿解理面剥离，减薄至0.02mm。
步骤4：制备电极。
用导电银浆在掺杂Cr的In2O3薄膜上制备两个条形电极(电极尺寸为0.5×0.8mm，电极间距为7mm)，将两个电极连接到外部的测量元件(Keithley2400数字源表)。
步骤5：弯曲传感器得到弯曲应变增强的紫外光电位置传感器；
选用具有一定曲率(-10～+10％mm-1)有机玻璃，将传感器固定在有机玻璃的曲面上，即获得弯曲应变增强的紫外光电位置传感器。
所制备的紫外光电位置传感器，是一种能够实现弯曲应变增强灵敏度的紫外光电位置传感器。室温条件下，在两个电极之间施加固定大小的电流，当紫外光照射传感器不同的位置，可以获得不同大小的电压，电压的大小与入射光的位置线性相关。改变传感器弯曲的曲率可以增强位置探测的灵敏度。
在未弯曲状态下，利用波长405nm连续激光器照射薄膜的不同位置。激光器功率为60mw，光斑直径为2mm，定义两个电极之间的距离为L，电极中心为x坐标轴的原点，且左电极的位置为x＝-L/2，右电极的位置为x＝L/2，用外部测试设备(Keithley2400数字源表)，测量薄膜的光电阻值。如图2所示，位置传感器呈现出线性的位置敏感特性。
利用不同曲率的有机玻璃模具将传感器进行“u”型弯曲时(如图3所示)，薄膜产生压缩应变。相同的激光再次入射x＝-L/2和x＝L/2位置，响应信号如图4所示。随着传感器的“u”型曲率越大，薄膜的压缩应变越大，x＝-L/2和x＝L/2位置处的光电阻值的绝对值都增大，在-7.69％mm-1曲率下分别增大了84.96％、46.25％，即传感器的位置敏感特性得到了增强。
利用不同曲率的有机玻璃模具将传感器进行“n”型弯曲时(如图5所示)，薄膜产生拉伸应变。相同的激光再次入射x＝-L/2和x＝L/2位置，响应信号如图6所示。随着传感器的“n”型曲率越大，薄膜的拉伸应变越大，x＝-L/2和x＝L/2位置处的光电阻值的绝对值都增大，在7.69％mm-1曲率下分别增大了67.29％、48.76％，即传感器的位置敏感特性得到了增强。
Claims (7)
1.一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器，其特征在于：由柔性衬底、薄膜和电极的三层结构组成；底层是柔性衬底层，选用氟晶云母片；中间层是沉积在柔性衬底的掺杂Cr的In2O3薄膜；顶层是电极层，电极层由两个条形电极构成，为光电信号的读取电极；整个结构通过机械方式进行弯曲，获得弯曲应变增强的紫外光电位置传感器。
2.如权利要求1所述的一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器，其特征在于：电极层由单质金属材料、金属合金材料或导电的金属化合物中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器，其特征在于：电极层的厚度为0.1～100μm，氟晶云母片衬底的厚度为5～50μm，掺杂Cr的In2O3薄膜厚度为0.02～1μm。
4.如权利要求1所述的一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器，其特征在于：掺杂Cr的In2O3薄膜中，Cr的质量分数为0.1％～10％。
5.如权利要求1所述的一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器，其特征在于：传感器具有弯曲形变，其曲率为-10～+10％mm-1。
6.如权利要求1所述的一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器的制备方法，其步骤如下：
(1)清洗柔性衬底；
将氟晶云母片依次使用丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗，或者使用等离子清洗机进行清洗，使氟晶云母片表面无污染；
(2)运用脉冲激光沉积制备掺杂Cr的In2O3薄膜；
运用脉冲激光沉积技术，选用掺杂Cr的In2O3作为靶材料，氧气环境下在氟晶云母片上沉积掺杂Cr的In2O3薄膜；
(3)减薄柔性衬底层；
运用机械剥离的方式，将柔性的云母层减薄至5～50μm；
(4)制备电极；
采用真空镀膜、磁控溅射、激光沉积或丝网印刷方法，在掺杂Cr的In2O3薄膜上制备两个电极，将两个电极连接到外部电阻测量元件上，构成光电位置传感器；
(5)弯曲传感器得到弯曲应变增强的紫外光电位置传感器；
运用机械的方式将传感器进行弯曲，获得一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器。
7.如权利要求6所述的一种弯曲应变增强的紫外光电位置传感器的制备方法，其特征在于：脉冲激光沉积中，掺杂Cr的In2O3靶材距离氟晶云母片的间距为40～70mm，腔内的氧分压为0.05～10Pa，氟晶云母片的温度为600～750℃，脉冲激光的频率为1～5Hz，沉积时间为0.1～2小时。
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