CN113532702B - 一种具有记忆功能的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有记忆功能的压力传感器，包括：第一电极、第二电极、位于第一电极和第二电极之间的功能层，功能层包括绝缘层、填充于绝缘层内的金属纳米颗粒以及包覆于金属纳米颗粒表面的相变层；金属纳米颗粒的温度变化使相变层相变，控制激光照射区域数量或者区域大小，获得连续变化的等效电阻值；对压力传感器施加压力，金属纳米颗粒相互接触，实现压力传感器灵敏度的非易失连续可调。根据一种具有记忆功能的压力传感器，通过基于等离子体效应的金属纳米颗粒温度的变化，使得相变层相变，从而改变相变层的阻态，实现压力传感器灵敏度的非易失连续可调，具有记忆功能的压力传感器低功耗、低延时，将广泛应用于感存算一体化智能皮肤。

Description

一种具有记忆功能的压力传感器
技术领域
本发明是关于一种压力传感器，特别是关于一种具有记忆功能的压力传感器。
背景技术
压力传感器广泛应用于电子皮肤。现有的压力传感器不具有记忆功能且不具备传感灵敏度非易失连续可调功能，不能用于构建智能电子皮肤。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有记忆功能的压力传感器，其具有传感灵敏度可记忆且非易失可调功能，可用于构建智能电子皮肤。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种具有记忆功能的压力传感器，包括：第一电极、第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的功能层，所述功能层包括绝缘层、填充于绝缘层内的金属纳米颗粒以及包覆于金属纳米颗粒表面的相变层；所述金属纳米颗粒由金属纳米颗粒等离子体共振波长激光照射而产生温度变化，促使所述金属纳米颗粒表面的相变层发生相变，从而改变相变层的电阻值；通过金属纳米颗粒等离子体共振波长激光激光照射区域数量或者照射区域大小的变化，获得连续变化的功能层等效电阻值；在不同的电阻值下，通过对压力传感器施加压力，使得包覆有相变层的金属纳米颗粒之间相互接触，可获得不同的传感灵敏度，最终实现压力传感器对灵敏度的记忆以及灵敏度的非易失连续可调。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述相变层由硫系化合物制成。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述硫系化合物包括
Figure 432568DEST_PATH_IMAGE001
。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述相变层的厚度为1~20 nm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述金属纳米颗粒由金、银、铜或者氮化钛制成。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述金属纳米颗粒的尺寸为10~100nm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一电极和第二电极均由柔性导电材料制成。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述柔性导电材料包括金、银、铜、氮化钛、聚乙炔、聚吡咯、聚吲哚和聚苯胺中的一种或几种。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述绝缘层由柔性聚合物制成。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述绝缘层的厚度为10~1000nm。
与现有技术相比，根据本发明实施方式的一种具有记忆功能的压力传感器，通过基于等离子体效应的金属纳米颗粒温度的变化，使得包覆于金属纳米颗粒表面的相变层相变，从而改变相变层的阻态，最终实现压力传感器灵敏度的非易失连续可调，具有记忆功能的压力传感器具有低功耗、低延时的性能，将广泛应用于感存算一体化智能皮肤。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的一种具有记忆功能的压力传感器的结构示意图。
图2是根据本发明一实施方式的功能层的结构示意图。
图3是根据本发明一实施方式在按压下的功能层的结构示意图。
图4是根据本发明一实施方式的金属纳米颗粒形状为三角形时的功能层的结构示意图。
图5是根据本发明一实施方式的金属纳米颗粒形状为五角星形时的功能层的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种具有记忆功能的压力传感器，包括：第一电极1、第二电极3以及位于第一电极1和第二电极3之间的功能层2。
如图2所示，功能层2包括绝缘层21、填充于绝缘层21内的金属纳米颗粒22以及包覆于金属纳米颗粒22表面的相变层23。金属纳米颗粒22通过金属纳米颗粒等离子体共振波长激光照射来控制其温度，在该温度的变化下，促使相变层23在晶体状态和非晶体状态之间转变，从而改变相变层23的电阻值；通过金属纳米颗粒等离子体共振波长激光照射区域数量或者照射区域大小的变化，从而获得连续变化的功能层等效电阻值；在不同的电阻值下，通过对压力传感器施加压力，使得包覆有相变层23的金属纳米颗粒22之间相互接触，可获得不同的传感灵敏度，最终实现压力传感器对灵敏度的记忆以及灵敏度的非易失连续可调。
其中，相变层23可以由硫系化合物制成。硫系化合物可以是
Figure 184623DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 177725DEST_PATH_IMAGE003
或
Figure 179179DEST_PATH_IMAGE004
体系。
Figure 50183DEST_PATH_IMAGE005
体系可以是
Figure 453482DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 384529DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 607700DEST_PATH_IMAGE008
或
Figure 518281DEST_PATH_IMAGE009
。
Figure 776087DEST_PATH_IMAGE010
体系可以是
Figure 878035DEST_PATH_IMAGE011
。优选的，相变层23包括
Figure 854081DEST_PATH_IMAGE012
。相变层23的厚度为1~20 nm。
如图2、图4和图5所示，金属纳米颗粒22的形状包括圆形、三角形或者五角星形。在其他实施例中，金属纳米颗粒22也可以有其他形状，例如四边形、五边形或者其他多边形等形状。金属纳米颗粒22由金、银、铜或者氮化钛制成。在其他实施例中，金属纳米颗粒22也可以由其他导电性能好的材料制成。金属纳米颗粒22的尺寸为10~100nm。该尺寸表示为金属纳米颗粒22在横截面积上的最大长度。
一实施方式中，第一电极1和第二电极3均由柔性导电材料制成。柔性导电材料包括金、银、铜、氮化钛、聚乙炔、聚吡咯、聚吲哚和聚苯胺中的一种或几种。第一电极1和第二电极3可以是由薄层金属或导电聚合物制成。
一实施方式中，绝缘层21由柔性聚合物制成。柔性聚合物可以是PDMS。绝缘层21的厚度为10~1000nm。
金属纳米颗粒22在谐振波长激光照射下产生等离子体共振效应，使得金属纳米颗粒22的温度上升。
当金属纳米颗粒22的温度上升至相变层23的熔点以上后，再快速降温，使得相变层23转变成非晶体状态。此时相变层23的电阻大，呈高阻态。通过高功率短脉冲的激光控制金属纳米颗粒22的温度的变化，控制高功率短脉冲的激光形成的光斑的数量或者光斑扫过面积的大小使得功能层不同位置的金属纳米颗粒22的温度产生变化，相应位置的相变层材料产生相变，功能层等效电阻随功能层中发生相变的面积的变化而变化，实现连续可调。
当金属纳米颗粒22的温度上升至相变层23的晶化温度以上，且长时间维持该晶化温度，使得相变层23转变成晶体状态。此时相变层23的电阻小，呈低阻态。通过低功率长脉冲的激光控制金属纳米颗粒22的温度的变化，控制低功率长脉冲的激光形成的光斑的数量或者光斑的扫过面积的大小使得功能层不同位置的金属纳米颗粒22的温度产生变化，相应位置的相变层材料产生相变，功能层等效电阻随功能层中发生相变的面积的变化而变化，实现连续可调。同时，可以通过控制激光的脉冲个数和种类实现功能层等效电阻的非易失连续调节。
如图3所示，在对压力传感器施加压力时，包覆有相变层23的金属纳米颗粒22会相互接触。如果相变层23为高阻态，金属纳米颗粒22接触后，压力传感器的电阻变化小。此时，压力传感器的灵敏度低。如果金属纳米颗粒22为低阻态，接触后，压力传感器的电阻变化大。此时，压力传感器的灵敏度高。高阻态逐渐转变为低阻态，低阻态再逐渐转变为高阻态，高阻态与低阻态之间的切换实现了压力传感器的灵敏度的非易失连续可调。
在其他实施方式中，还公开了一种具有记忆功能的压力传感器的制备方法，包括：
S1、准备一衬底。
S2、在衬底上制作第一电极1。
S3、在第一电极1上制作功能层2。
其中，“制作功能层2”包括：制作绝缘层21，在金属纳米颗粒22表面包覆相变层23并填充至绝缘层21内。
S4、在功能层2上制作第二电极3。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种具有记忆功能的压力传感器，其特征在于，包括：第一电极、第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的功能层，所述功能层包括绝缘层、填充于绝缘层内的金属纳米颗粒以及包覆于金属纳米颗粒表面的相变层；所述金属纳米颗粒由金属纳米颗粒等离子体共振波长激光照射而产生温度变化，促使所述金属纳米颗粒表面的相变层发生相变，从而改变相变层的电阻值；通过金属纳米颗粒等离子体共振波长激光照射区域数量或者照射区域大小的变化，获得连续变化的功能层等效电阻值；在不同的电阻值下，通过对压力传感器施加压力，使得包覆有相变层的金属纳米颗粒之间相互接触，可获得不同的传感灵敏度，最终实现压力传感器对灵敏度的记忆以及灵敏度的非易失连续可调，所述相变层由硫系化合物制成，所述硫系化合物包括
Figure 761425DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 350670DEST_PATH_IMAGE004
或
Figure 51778DEST_PATH_IMAGE006
体系，所述金属纳米颗粒由金、银、铜或者氮化钛制成。
2.如权利要求1所述的具有记忆功能的压力传感器，其特征在于，所述硫系化合物包括
Figure 384670DEST_PATH_IMAGE008
。
3.如权利要求1所述的具有记忆功能的压力传感器，其特征在于，所述相变层的厚度为1~20 nm。
4.如权利要求1所述的具有记忆功能的压力传感器，其特征在于，所述金属纳米颗粒的尺寸为10~100nm。
5.如权利要求1所述的具有记忆功能的压力传感器，其特征在于，所述第一电极和第二电极均由柔性导电材料制成。
6.如权利要求5所述的具有记忆功能的压力传感器，其特征在于，所述柔性导电材料包括金、银、铜、氮化钛、聚乙炔、聚吡咯、聚吲哚和聚苯胺中的一种或几种。
7.如权利要求1所述的具有记忆功能的压力传感器，其特征在于，所述绝缘层由柔性聚合物制成。
8.如权利要求1所述的具有记忆功能的压力传感器，其特征在于，所述绝缘层的厚度为10~1000nm。
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