CN114112121B - 一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法，系统的上电极的下表面与铁电感知薄膜的上表面贴合连接；铁电感知薄膜的下表面与铁电介电薄膜的上表面通过中电极进行键合；铁电介电薄膜的下表面与界面缓冲层连接；柔性基底的表面与下电极贴合连接；可通过外围调节电路对铁电感知薄膜施加一定的电压，进而调整系统灵敏度；铁电介电薄膜用于根据铁电感知薄膜产生的感知信号产生铁电极化，实现感知信号的非易失性存储。本发明实现了在线实时调控系统的灵敏度以适应不同的应用场景、减少信号干扰和失真，且数据无须通过系统总线在感知单元和存储单元不断传输交互，提高了系统的信号存储带宽并降低了系统功耗。

Description

一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法

技术领域

本发明涉及传感器与存储器技术领域，特别是涉及一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号输出。近年来，随着材料科学和先进制造技术的发展，涌现了大批高性能、低成本的柔性传感器，这极大地扩展了传统硅基传感器在可穿戴设备、电子皮肤、健康医疗等领域的应用。

但通常而言，传感器一旦设计或制备完成后，器件的灵敏度就已经基本确定。但是在实际中形式各样的复杂应用场景，单个型号的传感器很难满足所有场景的应用需求，其中灵敏度是关键参数之一。较小的灵敏度无法精确地感知待测量微弱的变化，容易造成无法检测关键信号；而较大的灵敏度容易受到外部环境的干扰，产生过多的冗余信号和噪声，为后续的信号处理与分析带来较大的挑战。

另外，在典型的设计中，传感单元与存储单元在物理上是分开的，因为它们的功能要求和制造技术不同。传感器一般只具备感知待测量的功能，且其输出是模拟信号，首先需要经过A/D转换模块转变为数字信号，在主控单元的控制下经过数据总线与外围的存储模块进行数据存储和交互。因此，传感器单元在获取大量原始数据后必须将这些数据传输到外围的存储单元中，这会在能耗、响应时间、数据存储、通信带宽和安全性方面产生重大问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，包括：上电极、铁电感知薄膜、中电极、铁电介电薄膜、界面缓冲层、下电极和柔性基底；所述上电极的下表面与所述铁电感知薄膜的上表面贴合连接；所述上电极用于感知外界刺激量；所述铁电感知薄膜的下表面与所述铁电介电薄膜的上表面通过所述中电极进行键合；所述铁电感知薄膜用于根据所述作用力产生相应的电信号；所述铁电介电薄膜的下表面与所述界面缓冲层连接；所述柔性基底的表面与所述下电极贴合连接；所述铁电介电薄膜用于根据所述电信号进行铁电畴翻转，实现感知信号的非易失性存储。

优选地，所述上电极、所述铁电感知薄膜和所述中电极组成感知部分，所述上电极和所述中电极均连接有灵敏度调控电路，所述灵敏度调控电路对铁电感知薄膜施加调制电压，所述调制电压用于改变所述铁电感知薄膜的极化态，以调整系统的感知灵敏度。

优选地，所述中电极、所述铁电介电薄膜和所述下电极组成存储部分，所述脉冲电压通过所述中电极传递给下层的所述铁电介电薄膜，以改变所述铁电介电薄膜的极化态，实现感知信号的非易失性存储。

优选地，为实现感知信号的量化存储，所述铁电感知薄膜的个数为1个，所述铁电感知薄膜为单个多级化态的铁电介电薄膜；

当采用双极化态的铁电介电薄膜时，所述双极化态的铁电介电薄膜为铁电介电薄膜阵列，每个所述铁电介电薄膜采用并联的方式与相邻的所述铁电感知薄膜连接。

优选地，系统感知灵敏度的调节方法为：

获取第一公式；所述第一公式为

其中，ΔV为铁电感知薄膜两端的电压变化值，ΔF为施加在铁电感知薄膜两端的刺激，其中下标表示t_α、t_β时刻；

获取第二公式；所述第二公式为铁电感知薄膜z轴的感知系数计算公式，具体为：

其中，ω为铁电感知薄膜的z轴感知系数，F为施加在铁电感知薄膜上的刺激，Q为铁电感知薄膜上下两端产生的电荷，C和V分别为铁电感知薄膜的电容和电压；

根据所述第一公式和所述第二公式得到理论系统灵敏度；所述理论系统灵敏度的计算公式为：

S'为所述理论系统灵敏度；

根据所述理论系统灵敏度确定系统的实际灵敏度为：

其中，g_m为铁电感知薄膜的电导值；S为所述实际灵敏度；

所述铁电感知薄膜极化值的计算公式为P∝E∝ω；其中，P为铁电感知薄膜的极化强度，E是施加到铁电感知薄膜上的外界电压；当温度超过临界温度电T_c时，铁电感知薄膜变为顺电相，其中P＝ε₀χE；ε₀是铁电感知薄膜的介电常数，χ是在所述外界电压的作用下铁电感知薄膜产生的电位移。

优选地，所述铁电感知薄膜的厚度范围为10nm-1μm；所述柔性基底的材料包括云母片、PI或PEN耐高温柔性基材，所述柔性基底的厚度范围为10μm-125μm。

优选地，所述铁电感知薄膜的材料包括二氧化铪、铪锆氧、PZT、聚偏氟乙烯或所述聚偏氟乙烯的共聚物或相应材料的不同掺杂相；

另外，所述铁电介电薄膜的材料包括二氧化铪、铪锆氧和聚偏氟乙烯或所述聚偏氟乙烯的共聚物。

优选地，所述上电极、所述中电极或所述下电极的材料均包括氮化钛、钨、ITO、钼、钛金和铂。

优选地，所述双极化态的铁电介电薄膜阵列用于根据统计学分析方法对感知信息进行量化处理：

其中，ρ_S为感知信息的量化值、M_A为存储数字信息为“1”的阵列数存储极化量、k为总的存储阵列数、L_S为铁电感知薄膜的全量程感知上限。

一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统的集成方法，应用于上述在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，所述集成方法包括：

采用脉冲激光沉积或ALD技术在一个柔性基底上沉积制备铁电感知薄膜，并利用金属溅射技术在柔性基底的表面沉积制备上电极，以构成感知薄膜部分；

采用金属溅射沉积或气相沉积技术在另一个柔性基底上沉积制备下电极，并利用原子层沉积技术在所述下电极的表面生长铁电介电薄膜，以构成介电薄膜部分；

将所述感知薄膜部分和所述介电薄膜部分通过阵列中电极进行键合。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法，当对系统施加一定的压力刺激后，由于压电效应，铁电感知薄膜会生成一定大小的脉冲电压信号，从而实现信号感知的功能(压力信号→脉冲电压信号)；生成的脉冲电压信号通过中电极传递到下层的铁电介电薄膜，使得铁电介电薄膜的极化状态发生变化(例如从上极化态编程下极化态)，从而存储数字电路中的“0”或“1”，实现信息的存储功能(脉冲电压信号→极化值信号)。可以通过对上层的铁电感知薄膜施加一定幅值和方向的电压信号，可以改变其本征极化态，本征极化态的改变会影响感知薄膜的感知系数(即器件感知灵敏度)，从而达到在线调控器件灵敏度的目的。本发明通过施加外部电压在线实时调控器件的灵敏度以适应不同的应用场景、减少信号干扰和失真，另外，感知的信号可以直接存储在本地器件中，突破了传统感知系统中的“冯诺依曼瓶颈”，即数据不再需要通过系统总线在感知单元和存储单元不断传输交互，从而导致的带宽和功耗问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统感存系统与本实施例的器件框架的对比图；

图2为本发明实施例提供的基于稳定双极化态的阵列结构的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统；

图3为本发明实施例提供的具有稳定多级极化态的单一结构的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统；

图4为本发明实施例提供的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统的双极化态(二值存储)铁电介质薄膜的与外加电压的关系；

图5为本发明实施例提供的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统的铁电多极化态(多值存储)铁电介质薄膜的极化强度与施加电压的关系；

图6为本发明实施例提供的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统的集成方法流程图；

图7为本发明实施例提供的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统的工作原理流程图。

符号说明：

1-传统传感器，2-感存一体化器件，3-上电极，4-铁电感知薄膜，5-中电极，6-铁电介电薄膜，7-界面缓冲层，8-下电极，9-柔性基底，10-填充层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。

如图1所示，传统感存系统(传统传感器1)需要经过A/D转换模块将感知模拟信号转变为数字信号，在主控单元的控制下经过数据总线与外围的存储模块或计算单元进行数据存储和交互。因此，传感器单元在获取大量原始数据后必须通过数据总线时序地将这些数据传输到外围的存储单元中，这在能耗、响应时间、集成度、通信带宽和安全性等方面限制进一步的感存集成化。本发明的目的是解决现有技术中的不足，提供一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统及其集成方法，设计了一种新型的感存一体化器件框架，能够在线实时调控器件的感知灵敏度以适应不同的应用场景、减少信号干扰和失真，且感知的信号可以直接存储在同一个器件中，突破了传统感知系统中的“冯诺依曼瓶颈”，即数据不再需要通过系统总线在感知单元和存储单元不断传输交互，从而导致的带宽和功耗问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，包括：上电极3、铁电感知薄膜4、中电极5、铁电介电薄膜6、界面缓冲层7、下电极8、柔性基底9和填充层10；所述上电极3的下表面与所述铁电感知薄膜4的上表面贴合连接；所述上电极3用于感知外界的刺激(实施例中感知力)；所述铁电感知薄膜4的下表面与所述铁电介电薄膜6的上表面通过所述中电极5进行键合；所述铁电感知薄膜4用于根据所述刺激产生电压信号(将刺激信号转变为电信号)；所述铁电介电薄膜6的下表面与所述界面缓冲层7贴合连接，可大大减少漏电流，保证器件的可靠性；所述柔性基底8的表面与所述下电极7贴合连接；所述铁电介电薄膜6可随贴点感知薄膜4产生的脉冲电压发生铁电畴翻转(铁电畴翻转程度可随着电压变化而变化)。其中，所述铁电介电薄膜6的个数至少为1个；当所述铁电介电薄膜6的个数大于1时，每个所述铁电介电薄膜6采用并联的方式与所述铁电感知薄膜4连接。

请参阅图2和图3，图2和图3分别表示基于稳定双极化态的阵列结构的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统和具有稳定多级极化态的单一结构的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，其中存储部分可兼容两种形式：具有稳定双极化态的阵列结构和具有稳定多级极化态的单一结构，从而实现感知的量化功能，两种形式的具体工作原理如下：

(1)稳定双极化态的阵列结构。由于其本征双势阱，所以其具有两个稳定的极化态，因此，若每个感知部分对应只对应一个存储结构，则其双稳极化态只能对应存储数字信号中的“0”或“1”通过在铁电感知薄膜下方布置铁电介电薄膜存储阵列，感知部分产生的脉冲电压信号以并联的方式并行地传递给下方的存储阵列中，该结构对存储部分的铁电介电薄膜6的材料要求的限制较小，具有较多的选择性。感知部分结构可以做到微米甚至毫米级别(方便与外界刺激量交互)，存储结构可以做到纳米级别，这给二者的集成提供了结构兼容基础。因为感知信号产生的能量是一定的，其能够改变阵列中极化态的数量也是一定的，因此二者具有较好的一致性。最后通过读出电路读取存储阵列中“0”(或者“1”)的数量即可精确评估出感知量的幅值(间接通过统计学分布实现感知的量化)。由于单一的感知结构可同时连接存储阵列，且每个存储单元之间不存在干扰和数据总线的容量限制，因此其可以大量并行数据的同时非易失性存储，这很大程度上缓解了传统器件中的带宽、存储密度和功耗问题。

采用双稳态极化铁电存储阵列可以对感知信息进行量化处理，具体可根据统计学分析方法对感知信息进行量化处理：

其中，ρ_S为感知信息的量化值、M_A为存储数字信息为“1”的阵列数存储极化量、k为总的存储阵列数、L_S为铁电感知薄膜的全量程感知上限。

(2)稳定多级极化态的单一结构。通过在铁电材料中引入外部因素(例如氧空位或其它缺陷或或界面电荷等)，使得更好的畴成核控制过程，使得铁电介电薄膜6可以实现较为精确可重复成比例的成核行为，控制切换铁电畴的翻转比例，从而实现在单个结构中实现多级的稳定极化态，即除了正负最大极化值之外，中间还存在多个可分辨的稳态极化值。因此，可以通过单一结构实现类比数值“0、1、2、3…”等数值型的直接存储(直接通过记录不同的极化态实现感知的量化)。该方式具有简化器件结构、减小功耗、增加内存存储密度等优势，但对于材料的要求较高，通常有额外的工艺和结构限制。

优选地，所述上电极3、所述铁电感知薄膜4和所述中电极5组成感知部分，所述上电极3和所述中电极5均连接有灵敏度调控电路，所述灵敏度调控电路用于对铁电感知薄膜4施加调制电压；所述调制电压用于改变所述铁电感知薄膜4的极化态。

作为一种可选的实施方式，整个器件的核心部件主要有感知结构和存储结构，其中感知结构负责与外界环境交互，感知待测量并转化为电压信号；存储结构负责感知信号的非易失性存储，二者通过“中电极5”结合在一起形成整个器件。

优选地，所述铁电感知薄膜4的材料包括二氧化铪(HfO2)、铪锆氧(HZO)、聚偏氟乙烯或所述聚偏氟乙烯的共聚物(P(VDF-TrFE))。所述铁电感知薄膜4的厚度范围为1μm-10μm。

进一步，用于待测量感知的核心部件“铁电感知薄膜4”部分的材料优选为二氧化铪(HfO₂)、锆钛酸铅(PZT)、二氧化锆(ZrO₂)、聚偏氟乙烯及其共聚物(P(VDF-TrTE))等，制备的厚度优选在5nm-1μm之间，根据外界刺激量的大小、具体的使用场景做不同调控和制备工艺的难度进行权衡，以保证器件的可靠性、鲁棒性和与感知量的可交互性。

优选地，所述中电极5、所述铁电介电薄膜6、所述界面缓冲层和所述下电极8组成存储部分，所述脉冲电压通过所述中电极5传递给下层的所述铁电介电薄膜6，以改变所述铁电介电薄膜6的极化态，以进行感知信号的本地存储。

进一步，用于信息存储的核心部件“铁电介电薄膜6”的材料包括但不局限于二氧化铪(HfO2)、铪锆氧(HZO)、聚偏氟乙烯及其共聚物(P(VDF-TrTE))等，包括对其上述材料进行适当元素掺杂或工艺调制，例如硅、锗、澜、铝、铱等)。其中铁电感知薄膜4和铁电介电薄膜6的类型可根据实际需要进行选择，该器件原理允许铁电感知薄膜4和铁电介电薄膜6的材料一致，这不仅仅降低了材料的选择困难型，还有利于保证制备工艺的兼容性。

优选地，所述上电极3、所述中电极5或所述下电极8的材料均包括氮化钛(TiN)、钨(W)、ITO、钛金(Ti/Au)和铂(Pt)等。

优选地，所述界面缓冲层的材料包括氧化铝(Al2O3)和氧化硅(SiO2)，其厚度范围在1-2nm。

优选地，所述柔性基底9的材料包括云母片、PI或其它耐高温柔性基材，所述柔性基底9的厚度范围为20μm-125μm。

本实施例所提出的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统的在线可调灵敏度原理如下：

当外力作用于铁电感知薄膜4时，外力作用下铁电感知材料晶体的正、负电荷中心不重合，发生与应力成比例的介质极化，使得在铁电感知薄膜4的z轴方向上积累一定量的正负电荷，宏观表现出薄膜两端出现一定的电压差。基于上述原理，感知结构中的铁电感知薄膜4可以感知压力的变化，实现器件感知的功能。另外，尤其铁电感知薄膜的热电属性，其可兼容性地实现热的感知。

另外，铁电感知薄膜4在一定温度范围内还具有自发极化的特性(即铁电性)，且自发极化的方向可随着电场方向做可逆的转动(铁电畴在电压作用下翻转)。也即当外电场增加时，使得铁电畴朝着与电场一致的方向翻转，晶体结构发生变化(例如从四方相变为正交相等)，与电场同向的铁电畴逐渐增多，极化值逐渐变大，直到达到饱和状态。

无论是压电还是极化其本质核心均与铁电材料中铁电畴的状态(晶胞结构)有着密切的关系，因此，通过外加电压改变铁电敏感薄膜中铁电畴的状态，也即使得材料铁电畴翻转到某个状态，铁电畴的翻转导致材料极化态的变化，铁电畴的结构、方向以及畴壁的运动都会对材料的性能有着巨大的影响，包括感知材料的感知系数(或者热电系数)，最终达到调节铁电感知薄膜4感知灵敏度的目的。

作为一种可选的实施方式，本实施例的原理流程包括：外部电压激励-铁电畴翻转-极化态变化-感知系数变化-灵敏度调节。

感知系数器件在线可调灵敏度可根据以下公式进行调节：

其中，ΔV为铁电感知薄膜两端的电压变化值，ΔF为施加在铁电感知薄膜两端的作用力的变化值，其中下标表示不同时刻，例如t_α、t_β时刻。

铁电感知薄膜z轴的感知系数计算公式：

其中，d₃₃为铁电感知薄膜的z轴感知系数，F为施加在铁电感知薄膜上的力，Q为铁电感知薄膜上下两端产生的电荷，C和V分别为铁电感知薄膜的电容和电压。

将公式(2)带入公式(1)可得理论灵敏度：

上述为理论计算得到的器件灵敏度，但是在实际应用中还需要考虑铁电感知薄膜本身的导电特性，器件的实际灵敏度为：

其中，g_m为铁电感知薄膜的电导值；

进一步，铁电感知薄膜极化值的计算公式：

P∝E∝d₃₃ 公式(5)

其中，P是铁电感知薄膜的极化强度，E是施加到铁电感知薄膜上的外界电压。

当温度超过铁电居里点T_c时，铁电感知薄膜变为顺电相，有以下关系：

P＝ε₀χE 公式(6)

其中，ε₀是铁电感知薄膜的介电常数，χ是在E的作用下铁电感知薄膜产生的电位移。

通过上述公式可以得到极化强度与感知系数以及外加电压之间的关系，且如图4和图5所示，铁电感知薄膜的极化强度与外加电压之间存在较好的(二次)线性关系，因此可以通过电压精准调制铁电感知薄膜的极化。再通过上述公式，可以理论计算出相应大小的灵敏度，从而实现器件的灵敏度的在线实时精准调控。

图6为本发明实施例提供的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统的集成方法流程图，如图6所示，本实施例还提供了一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统的集成方法，应用于上述在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，所述集成方法包括：

步骤100：采用脉冲激光沉积或ALD等技术在一个柔性基底上沉积制备铁电感知薄膜，并利用金属溅射技术在柔性基底的表面沉积制备上电极，以构成感知薄膜部分；

步骤200：采用金属溅射或ALD等技术在另一个柔性基底上沉积制备下电极，并利用气相沉积技术在所述下电极的表面生长铁电介电薄膜，以构成介电薄膜部分；

步骤300：将所述感知薄膜部分和所述介电薄膜部分通过阵列中电极进行键合。

利用铱元素掺杂的二氧化铪(HfO2)在1微米的厚度下依然保持着较高的铁电性另外，由于其具有较高的稳定性、出色的硅兼容性等，相比于其它铁电材料表现出与传统CMOS工艺更佳的兼容性。太薄的铁电感知薄膜在与外界交互时候非常容易收到损坏和干扰，造成感知量的不准确甚至器件失效。因此，该方案可保证较厚的感知薄膜，这对于力等感知量的有效传递有着重要的意义。

因此，本实施例中在室温条件下采用脉冲激光沉积技术在100μm的柔性云母基底上沉积约1微米厚的(7％)铱掺杂的HfO2铁电感知薄膜，在450℃低温退火后可以保持约30μC/cm2的极化值，还表现出较好的压电性能(约320-360pC/N)。再在其表面通过金属溅射沉积制备60nm左右的TiN上电极，以此作为整个器件的感知结构部分。

同样，在柔性云母基底表面利用金属溅射沉积制备约60nm左右的TiN下电极，再利用原子层沉积(ALD)技术在TiN下电极表面生长一层约10nm的二氧化铪(HfO2)单晶薄膜阵列(20×20)，最后经过400℃低温RTA快速退火30S处理，消除残余应力和薄膜晶粒细化。

最后将感知薄膜部分与介电薄膜部分之间通过阵列中电极(20nm厚度)键合在一起，最后整个器件在200℃环境下退火，使得晶粒均质化和消除内部残留应力，最终得到完整在线可调灵敏度式柔性感存器件(系统)。

图7为本发明实施例提供的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统的工作原理流程图，如图7所示，本实施例通过对器件施加一定大小的作用力，通过上电极传递到HfO2铁电感知薄膜处，导致HfO2铁电感知薄膜材料的正负电荷中心产生偏移量，宏观表现出其上下表面积累一定的正负电荷，形成脉冲电压差。当中电极接地后，等价于上电极对中电极施加一个一定幅值的脉冲电压，且该脉冲电压的幅值与施加力的大小成正比。

通过中电极，脉冲电压并行施加到下层的铁电介电薄膜中，在电压的作用下，铁电材料中的极化态发生变化(例如铁电畴发生180°翻转，也即从数字电路中的“0”变为“1”)，从而以非易失性的形式记录感知的信号。通过外围读取电路即可读取铁电存算阵列中的“0”或“1”的数量，从而实现感知量的判别和感知信息的定量存储。

利用灵敏度调控电路，通过上电极和中电极对铁电感知薄膜施加一定的调制电压，改变其极化态(铁电畴的本征态)，随之影响铁电感知薄膜的感知系数，达到调节器件灵敏度的目的。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明所提出的柔性感存器件可以通过施加外部电压在线实时调控器件的灵敏度以适应不同的应用场景、减少信号干扰和失真。

(2)本发明实现了感知的信号可以直接存储在器件中，实现感存一体化，数据不再需要通过系统总线在感知单元和存储单元不断传输交互，可有效缓解带宽和功耗问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的集成方法而言，由于其与实施例公开的器件相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见器件部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，其特征在于，包括：上电极、铁电感知薄膜、中电极、铁电介电薄膜、界面缓冲层、下电极和柔性基底；所述上电极的下表面与所述铁电感知薄膜的上表面贴合连接；所述上电极用于感知外界刺激量；所述铁电感知薄膜的下表面与所述铁电介电薄膜的上表面通过所述中电极进行键合；所述铁电感知薄膜用于根据作用力产生相应的电信号；所述铁电介电薄膜的下表面与所述界面缓冲层连接；所述柔性基底的表面与所述下电极贴合连接；所述铁电介电薄膜用于根据所述电信号进行铁电畴翻转，实现感知信号的非易失性存储；

所述上电极、所述铁电感知薄膜和所述中电极组成感知部分，所述上电极和所述中电极均连接有灵敏度调控电路，所述灵敏度调控电路对铁电感知薄膜施加调制电压，所述调制电压用于改变所述铁电感知薄膜的极化态，以调整系统的感知灵敏度；

系统感知灵敏度的调节方法为：

获取第一公式；所述第一公式为

其中，ΔV为铁电感知薄膜两端的电压变化值，ΔF为施加在铁电感知薄膜两端的刺激，其中下标表示t_α、t_β时刻；

获取第二公式；所述第二公式为铁电感知薄膜z轴的感知系数计算公式，具体为：

其中，ω为铁电感知薄膜的z轴感知系数，F为施加在铁电感知薄膜上的刺激，Q为铁电感知薄膜上下两端产生的电荷，C和V分别为铁电感知薄膜的电容和电压；

根据所述第一公式和所述第二公式得到理论系统灵敏度；所述理论系统灵敏度的计算公式为：

S'为所述理论系统灵敏度；

根据所述理论系统灵敏度确定系统的实际灵敏度为：

其中，g_m为铁电感知薄膜的电导值；S为所述实际灵敏度；

所述铁电感知薄膜极化值的计算公式为P∝E∝ω；其中，P为铁电感知薄膜的极化强度，E是施加到铁电感知薄膜上的外界电压；当温度超过临界温度电T_c时，铁电感知薄膜变为顺电相，其中P＝ε₀χE；ε₀是铁电感知薄膜的介电常数，χ是在所述外界电压的作用下铁电感知薄膜产生的电位移。

2.根据权利要求1所述的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，其特征在于，所述中电极、所述铁电介电薄膜和所述下电极组成存储部分，脉冲电压通过所述中电极传递给下层的所述铁电介电薄膜，以改变所述铁电介电薄膜的极化态，实现感知信号的非易失性存储。

3.根据权利要求1所述的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，其特征在于，为实现感知信号的量化存储，所述铁电感知薄膜的个数为1个，所述铁电感知薄膜为单个多级化态的铁电介电薄膜；

当采用双极化态的铁电介电薄膜时，所述双极化态的铁电介电薄膜为铁电介电薄膜阵列，每个所述铁电介电薄膜采用并联的方式与相邻的所述铁电感知薄膜连接。

4.根据权利要求1所述的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，其特征在于，所述铁电感知薄膜的厚度范围为10nm-1μm；所述柔性基底的材料包括云母片、PI或PEN耐高温柔性基材，所述柔性基底的厚度范围为10μm-125μm。

5.根据权利要求1所述的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，其特征在于，所述铁电感知薄膜的材料包括二氧化铪、铪锆氧、PZT、聚偏氟乙烯或所述聚偏氟乙烯的共聚物或相应材料的不同掺杂相；

另外，所述铁电介电薄膜的材料包括二氧化铪、铪锆氧和聚偏氟乙烯或所述聚偏氟乙烯的共聚物。

6.根据权利要求1所述的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，其特征在于，所述上电极、所述中电极或所述下电极的材料均包括氮化钛、钨、ITO、钼、钛金和铂。

7.根据权利要求3所述的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，其特征在于，所述双极化态的铁电介电薄膜阵列用于根据统计学分析方法对感知信息进行量化处理：

其中，ρ_S为感知信息的量化值、M_A为存储数字信息为“1”的阵列数存储极化量、k为总的存储阵列数、L_S为铁电感知薄膜的全量程感知上限。

8.一种在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统的集成方法，其特征在于，应用于权利要求1-7中任一项所述的在线可调灵敏度式柔性感存一体化系统，所述集成方法包括：

采用脉冲激光沉积或ALD技术在一个柔性基底上沉积制备铁电感知薄膜，并利用金属溅射技术在柔性基底的表面沉积制备上电极，以构成感知薄膜部分；

采用金属溅射沉积或气相沉积技术在另一个柔性基底上沉积制备下电极，并利用原子层沉积技术在所述下电极的表面生长铁电介电薄膜，以构成介电薄膜部分；

将所述感知薄膜部分和所述介电薄膜部分通过阵列中电极进行键合。

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