CN114199423A - 一种双激发压力记忆装置 - Google Patents

一种双激发压力记忆装置 Download PDF

Info

Publication number
CN114199423A
CN114199423A CN202111318338.8A CN202111318338A CN114199423A CN 114199423 A CN114199423 A CN 114199423A CN 202111318338 A CN202111318338 A CN 202111318338A CN 114199423 A CN114199423 A CN 114199423A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric
memristor
oled
pressure
array
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111318338.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114199423B (zh
Inventor
江诚鸣
陶志远
孙楠
曾丽君
彭艳
徐睿文
夏嘉临
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202111318338.8A priority Critical patent/CN114199423B/zh
Publication of CN114199423A publication Critical patent/CN114199423A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114199423B publication Critical patent/CN114199423B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/56—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C16/00—Erasable programmable read-only memories
    • G11C16/02—Erasable programmable read-only memories electrically programmable
    • G11C16/06—Auxiliary circuits, e.g. for writing into memory

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Electroluminescent Light Sources (AREA)

Abstract

本发明属于柔性压力传感器制备技术领域，涉及一种双激发压力记忆装置，由DPM装置矩阵组成，DPM装置矩阵由压电忆阻器阵列和压电OLED阵列，以均匀构型正交排列构成。利用MoOx忆阻材料的压电光敏和压电电敏的两性特性，实现具有感知与存储一体的电子皮肤记忆系统；利用压电纳米线能够在微量应变条件下，实现材料禁带宽度的调制和提升其光电转化效率特点，利用压电发光效应和压电通道效应，压电纳米线禁带宽度的调制可实现控制门与通道的双重增益，该器件能够实现超高动态范围和强压灵敏度，从而获得具有强对比度和高精细度的应力分布输出信号。本发明对压力记忆的存储时间长而稳定，并可以通过复位电压擦除和刷新，具有良好应用前景。

Description

一种双激发压力记忆装置
技术领域
本发明属于柔性压力传感器制备技术领域，特别是涉及一种双激发压力记忆装置。
背景技术
随着仿生人工智能系统的发展，能够识别外部刺激信号并在复杂环境中处理相应物理信息的生物神经形态知觉器官，引起了学者的浓厚兴趣。基于压力传感器的仿生电子皮肤设备已经与纳米线、2D材料、有机材料等一起被应用于仿生机电一体化、辅助医疗设备和神经网络系统。但应力信号响应强度低及能量转化效率差是仿生电子皮肤等力学传感器领域的国际性难题。并且，压力传感器仅具有通过简单转换检测力信息的单一功能，不具备存储功能，因此基于压力传感器的仿生电子皮肤不具备对外部刺激的记忆能力。到目前为止，压力记忆装置作为神经形态触觉系统实现与智能中心的通信和良好的灵活性仍然是一个挑战。
目前，国际上对应力传感输出机制的研究普遍采用压力信号直接转化为电信号，需要较大的应变空间和应力强度，同时信号传输时会导致引入导额外的噪音串扰，无法真正的解决能量转化效率低及作用信号衰减的本质问题。同时，具有感知与存储一体的仿生电子皮肤记忆装置的制备方法，还处于空白状态。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种双激发压力记忆装置。
本发明的技术方案是：
一种双激发压力记忆装置，是一种基于双激发压力记忆(DPM装置)矩阵的仿生电子皮肤，双激发压力记忆矩阵记为DPM装置矩阵；
所述DPM装置矩阵由压电忆阻器阵列和压电有机发光二极管(OLED)阵列，以均匀构型正交排列构成，压电忆阻器位于底部，压电OLED位于顶部，压电忆阻器与压电OLED之间涂有PI绝缘层，通过PI绝缘层作为粘合剂将压电忆阻器阵列和压电OLED阵列粘接，且压电忆阻器阵列的功能层被压电OLED阵列覆盖，依次建立集成的发光压力记忆矩阵；每组阵列中，压电忆阻器与压电OLED通过电路连接，然后与外部电源连接。
所述压电OLED利用其内部的氧化锌纳米线，以控制能带，在负载力作用下改变紫外(UV)照明强度。
所述压电忆阻器利用其内部的氧化锌纳米线产生压电电动势，使锂离子向氧化钼层移动。
所述压力记忆是指在压力作用下，DPM装置在压力作用下，其顶部的压电OLED处于发光状态，当压力移除后继续处于发光状态，直到施加偏置电压；
所述双激发是指压电忆阻器具有氧化钼(MoOx)功能层，可以由紫外激发和压电电位激发，实现压电忆阻器从高电阻状态(HRS)到低电阻状态(LRS)的切换。在施加偏置电压后，压电忆阻器可以从LRS切换回HRS，即记忆清除过程，从HRS和LRS周期性地转移，可实现对压力的反复记忆和清除。
工作原理：
压电忆阻器和压电OLED分别接电源的正负极，在没有受到压力前，压电忆阻器中的MoOx层处于高阻状态，整个电路处于断路状态，所述MoOx材料具有压电光敏和压电电敏的两性特性，可以由紫外激发和压电电位激发，当受到垂直于DMP装置的压力时，MoOx层从高阻状态转变为低阻状态，电路变为通路状态，压电OLED被点亮。其原理是紫外线照射后，MoOx层产生空穴和电子(MoOx+hυ→MoOx+e-+h+)，由紫外激发产生的空穴和H2O分子(PMMA·H2O中)可产生质子(4h++2H2O→H++O2)；另一方面，压电忆阻器中的ZnO NWs，在压力作用下产生压电电势，将Li+推向MoOx层，这些来自紫外激发和电位激发的电子、质子、Li+将Mo6+价态转变Mo5+(2MoO3+(m+n)e-+mH++nLi+→HmMoO3+LinMoO3)，MoOx层从高阻状态转变为低阻状态。当施加反向电压时，质子和Li+被移至顶部电极，MoO5+转变为MoO6+(HmMoO3+LinMoO3→2MoO3+(m+n)e-+mH++nLi+)，MoOx层的电阻又会升高，变为断路状态。利用这一特性，实现了对压力的感知和存储，当DMP组成阵列式，可以输出应力分布信号。
所述氧化锌纳米线(ZnONWs)，其能够在微量应变条件下，实现材料禁带宽度的调制和提升其光电转化效率，利用压电发光效应和压电通道效应，在应力作用下压电纳米线禁带宽度的调制可实现控制门与通道的双重增益，能够获得具有强对比度和高精细度的应力分布输出信号。
本发明的有益效果：
1.本发明在应力作用下时，压电纳米线禁带宽度的调制可实现控制门与通道的双重增益，该器件能够实现超高动态范围(>120dB)和强压灵敏度(61.2μS/kPa)，远超之前的60dB动态范围及12.0μS/kPa压力灵敏度。
2.本发明由力激发压电OLED和压电忆阻器组成的DPM装置具有高开/关比输出和长时间存储的先进性能。
3.本发明与普通压力传感器或电子皮肤不同，DPM设备可以输出与力相关的电阻状态，以实现整体压力分布、梯度分析和其他复杂的接触方法。
4.本发明利用MoOx忆阻材料的压电光敏和压电电敏的两性特性，实现了具有感知与存储一体的压力记忆装置。
5.DPM装置可以通过复位电压擦除和刷新，以记录下一次采集，展示了神经系统和人工智能电子的兼容性的可重用性。
附图说明
图1(a)是本发明的双激发压力记忆装置结构示意图，图1(b)是图1(a)中每个DMP装置的组成示意图。
图中：1 DMP装置，2压电OLED，3 PI绝缘层，4压电忆阻器。
图2是DMP装置的电路图。
图3是具有多层堆叠的DPM的详细结构。
图中：1 Al阳极，2 Wo3层，3 CBP层，4 TAZ层，5 ZnO纳米线，6 SU-8光刻胶，7 ITO导电玻璃，8 PI绝缘层，9 LI-ITO层，10钯纳米颗粒，11 MoOx层，12 PMMA层，13 Cr/Ag层，14PET基板。
图4是压电忆阻器中ZnO NW阵列的SEM图像。
图5是压电OLED中的ZnO NW阵列的SEM图像。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1(a)、图1(b)和图2所示，本发明的一种双激发压力记忆装置，由DPM装置1组成DPM装置矩阵；所述DPM装置矩阵由压电忆阻器阵列和压电有机发光二极管(OLED)阵列以均匀构型正交排列构成，压电忆阻器4位于底部，压电OLED2位于顶部，压电忆阻器与压电OLED之间涂有PI(聚酰亚胺)绝缘层3，压电忆阻器阵列的功能层被压电OLED阵列覆盖。
如图3所示，所述压电忆阻器的结构为，从底部开始向上依次为PET基板14、Cr/Ag层13(Cr厚度为4-6nm，Ag厚度为45-55nm)、PMMA层12(厚度1.8-2.1μm，ZnO嵌在PMMA中，厚度相同)、MoOx层5(厚度为75-85nm)、钯纳米颗粒10(Pd NP)、Li-ITO层9(厚度为65-75nm)，Li-ITO层9提供反应所需的锂离子。
所述压电OLED结构为，从底部开始向上依次为ITO导电玻璃7(厚度为65-75nm)、ZnO纳米线5(厚度为1.8-2.1μm，嵌于SU8光刻胶6中)、3-(联苯-4-基)-5-(4-叔丁基苯基)-4-苯基-4H-1,2,4-三唑(TAZ层4)(厚度为45-55nm)、4,4'-二(9-咔唑)联苯(CBP层3)厚度为10-20nm、三氧化钨(WO3层2)(厚度为55-65nm)、Al阳极1。
压电忆阻器和压电OLED之间旋涂一层聚酰亚胺(PI)作为绝缘层，厚度为90-110nm。
压电忆阻器和压电OLED中ZnO NW阵列的SEM图像分别如图4和图5所示。
本发明的一种双激发压力记忆装置制备方法，利用PET作为基板材料，通过光刻、旋涂、物理气相沉积发、热蒸镀的方法，合成DPM装置1；步骤如下：
(1)在PET基板上旋涂光刻胶(S1818,4500-5500rpm,40-50s)，110-120℃并焙干1-2min；用掩模对准器将设计好的形状用掩模1曝光，用显影液和去离子水显影清洗样品分别显影50-70S和175-185S，80-100℃焙干1-2min；
(2)采用物理气相沉积法(PVD)依次溅射功能层Cr层(厚度4-6nm)和Ag层(厚度45-55nm)，(采用磁控溅射，参数范围为功率100w，时间550-650s)，并采用提离法去除多余的光刻胶和金属层；
(3)重复步骤1并使用洞掩模2曝光，原子层沉积法(ALD)沉积ZnO种子层(约5nm)，丙酮去除多余的光敏电阻，用0.05mol/L三羟基甲基苯丙胺溶液(THMA)和0.05mol/L硝酸锌溶液制备水热混合溶液，合成垂直ZnO纳米线(保温箱温度75-85℃，时间2h)；旋涂PMMA膜(4％，2800-3200rpm，40-50s)，170-190℃烘烤1-2min，氧反应离子刻蚀(RIE)PMMA层，暴露ZnO NWs的顶部；在真空环境下通过热蒸发沉积MoOx层；
(4)重复步骤1并用掩膜3进行曝光，将制备的Pd纳米颗粒溶液(直径30nm,1mg/L,900-1000rpm,40-50s)旋涂并烘烤(真空烘箱180-220℃，2h)；先用PVD法制备透明导电层，然后用丙酮去除多余的光刻胶；旋转涂布聚PI溶液，并真空烘箱烘烤2h，使其固化。PVD法溅射导电层(70nm,4％li掺杂ITO)；ALD法制备ZnO种子层(约5nm)，用掩膜4重复步骤1，用0.05mol/l THMA和0.5mol/l Zn(NO3)2制备混合溶液，在70-90℃烘箱中保温2h合成垂直ZnONWs，并用乙醇除去光敏电阻；
(5)旋转涂布光刻胶(SU-8,2800-3200rpm,40-50s,90℃预焙1-2min)，用5号掩模平版微孔后显影样品；将SU-8在180-200℃高温下固化1h，使SU-8作为隔离层硬化；通过热蒸发法制备TAZ厚度为45-55nm、CBP厚度为10-20nm、WO3厚度为55-65nm和Al阳极(热蒸镀过程中，控制真空度在4×10-4Pa以下，蒸镀速率为
Figure BDA0003344344830000061
WO3速率
Figure BDA0003344344830000062
Al阳极
Figure BDA0003344344830000063
)；采用热蒸发法在试样上沉积聚氯代对二甲苯作为保护层。
结果对比分析
通过以上实例制备的DMP，均具有力感知、力存储和信息消除三种主导作用，当DMP阵列对压力的记忆被擦除后(施加-3.5V电压)，可以很容易实现对力的再次感知和记忆，显示出可多次记忆和擦除能力。在室温下保存2个月，DPM装置仍能在超小阻尼(<10％，其中～6％发生在开始400秒，～4％发生在接下来的2个月)的情况下保持对压力的记忆，根据MoOx忆阻器的特性，这种衰减趋势可以使DPM装置存储超过10年的力信息。
由以上技术方案可以看出，本发明的双激发压力记忆装置，既可以得到对压力感知并记忆的DPM装置，又可获得具有强对比度和高精细度的应力分布输出信号，可广泛应用于指导高性能机器人系统和医疗监测设备等。

Claims (1)

1.一种双激发压力记忆装置，其特征在于，所述的双激发压力记忆装置是一种基于双激发压力记忆矩阵的仿生电子皮肤，双激发压力记忆矩阵记为DPM装置矩阵；
所述DPM装置矩阵由压电忆阻器阵列和压电OLED阵列，以均匀构型正交排列构成，压电忆阻器位于底部，压电OLED位于顶部，压电忆阻器与压电OLED之间涂有PI绝缘层，通过PI绝缘层作为粘合剂将压电忆阻器阵列和压电OLED阵列粘接，且压电忆阻器阵列的功能层被压电OLED阵列覆盖，依次建立集成的发光压力记忆矩阵；每组阵列中，压电忆阻器与压电OLED通过电路连接，然后与外部电源连接；
所述压电OLED利用其内部的氧化锌纳米线，以控制能带，在负载力作用下改变紫外照明强度；
所述压电忆阻器利用其内部的氧化锌纳米线产生压电电动势，使锂离子向氧化钼层移动；
所述压力记忆是指在压力作用下，DPM装置在压力作用下，其顶部的压电OLED处于发光状态，当压力移除后继续处于发光状态，直到施加偏置电压；
所述双激发是指压电忆阻器具有氧化钼功能层，由紫外激发和压电电位激发，实现压电忆阻器从高电阻状态HRS到低电阻状态LRS的切换；在施加偏置电压后，压电忆阻器可以从LRS切换回HRS，即记忆清除过程，从HRS和LRS周期性地转移，实现对压力的反复记忆和清除。
CN202111318338.8A 2021-11-09 2021-11-09 一种双激发压力记忆装置 Active CN114199423B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111318338.8A CN114199423B (zh) 2021-11-09 2021-11-09 一种双激发压力记忆装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111318338.8A CN114199423B (zh) 2021-11-09 2021-11-09 一种双激发压力记忆装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114199423A true CN114199423A (zh) 2022-03-18
CN114199423B CN114199423B (zh) 2022-10-04

Family

ID=80647181

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111318338.8A Active CN114199423B (zh) 2021-11-09 2021-11-09 一种双激发压力记忆装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114199423B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115950562A (zh) * 2023-02-02 2023-04-11 大连理工大学 具有高分辨率和纳米级像素压力压电记忆系统及制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103682078A (zh) * 2012-09-21 2014-03-26 国家纳米科学中心 压力传感器阵列及其制备方法
WO2016137446A1 (en) * 2015-02-24 2016-09-01 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Determining a state of memristors in a crossbar array
CN106653793A (zh) * 2016-02-19 2017-05-10 北京纳米能源与系统研究所 纳米发光阵列及其制造方法以及纳米发光装置
WO2019010616A1 (zh) * 2017-07-10 2019-01-17 中国科学院微电子研究所 脉搏波传感器、传感器阵列及采用其的脉搏波测量装置
CN110600498A (zh) * 2019-08-21 2019-12-20 复旦大学 一种忆阻器十字交叉阵列的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103682078A (zh) * 2012-09-21 2014-03-26 国家纳米科学中心 压力传感器阵列及其制备方法
WO2016137446A1 (en) * 2015-02-24 2016-09-01 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Determining a state of memristors in a crossbar array
CN106653793A (zh) * 2016-02-19 2017-05-10 北京纳米能源与系统研究所 纳米发光阵列及其制造方法以及纳米发光装置
WO2019010616A1 (zh) * 2017-07-10 2019-01-17 中国科学院微电子研究所 脉搏波传感器、传感器阵列及采用其的脉搏波测量装置
CN110600498A (zh) * 2019-08-21 2019-12-20 复旦大学 一种忆阻器十字交叉阵列的制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115950562A (zh) * 2023-02-02 2023-04-11 大连理工大学 具有高分辨率和纳米级像素压力压电记忆系统及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114199423B (zh) 2022-10-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cho et al. Recent progress in transistor‐based optoelectronic synapses: from neuromorphic computing to artificial sensory system
Ni et al. Recent process of flexible transistor‐structured memory
Yu et al. Recent advances in optical and optoelectronic data storage based on luminescent nanomaterials
Lu et al. Solution-processed electronics for artificial synapses
Jiang et al. A high-performance bionic pressure memory device based on piezo-OLED and piezo-memristor as luminescence-fish neuromorphic tactile system
Berco et al. Recent progress in synaptic devices paving the way toward an artificial cogni‐retina for bionic and machine vision
Saraf et al. Self-powered photodetector based on electric-field-induced effects in MAPbI3 perovskite with improved stability
CN110518117B (zh) 一种二维材料异质结的忆阻器及其制备方法
Gong et al. An artificial visual nerve for mimicking pupil reflex
Yang et al. Photoelectric memristor-based machine vision for artificial intelligence applications
Jiang et al. Light-stimulated artificial synapse with memory and learning functions by utilizing an aqueous solution-processed In2O3/AlLiO thin-film transistor
Lou et al. Flexible image sensors with semiconducting nanowires for biomimic visual applications
CN114199423B (zh) 一种双激发压力记忆装置
Shen et al. ZnO nanowire optoelectronic synapse for neuromorphic computing
CN103682078A (zh) 压力传感器阵列及其制备方法
Park et al. Unconventional image‐sensing and light‐emitting devices for extended reality
Wang et al. A digital–analog integrated memristor based on a ZnO NPs/CuO NWs heterostructure for neuromorphic computing
Bu et al. Emerging New‐Generation Detecting and Sensing of Metal Halide Perovskites
Wang et al. Advances in Emerging Photonic Memristive and Memristive‐Like Devices
Wang et al. Advances in photoelectric detection units for imaging based on perovskite materials
Zhang et al. Emerging photoelectric devices for neuromorphic vision applications: principles, developments, and outlooks
Yang et al. Recent Advances in Materials, Structures, and Applications of Flexible Photodetectors
Gupta et al. Inorganic perovskite quantum dot-mediated photonic multimodal synapse
Chen et al. Intelligent Optoelectronic Devices for Next‐Generation Artificial Machine Vision
CN114464732A (zh) 一种双层薄膜结构的全光控忆阻器件及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant