面向柔性可穿戴传感的关键器件研究
发布时间：2021-04-07 08:24
柔性可穿戴传感器被广泛应用于如人体的健康状况监测、假肢、机器人等诸多领域,柔性传感器采集到大量数据后,需要相应的高性能存储器和处理器对其进行存储,运算和分析。传统的硅基非易失性存储器由于其刚性基板的特性,无法满足柔性、延展等方面的要求,而柔性阻变存储器（RRAM）具有擦写速度快、存储密度高以及功耗低等优点,具有应用潜力。大多数柔性可穿戴传感器都需要外部供电,使用微型电池存在无法长期续航的致命缺点,而使用外接电源则会给操作带来诸多不便。因此,与之相比,新型的自供电传感器极具吸引力。柔性摩擦纳米发电机（TENG）可以将人体运动的机械能转换成电能,同时具有传感特性,是一种新型的自供电传感器。本工作致力于探索面向柔性可穿戴传感应用的柔性阻变存储器和基于TENG的柔性自供电传感器。本文的主要工作如下:（1）本文对柔性忆阻器进行了研究,提出了一种可全降解的忆阻器。首先选择生物材料明胶（gelatin）作为阻变层,使用四种不同的金属作为上电极研究其对金属上电极（TE）/gelatin/W器件阻变性能的影响。结果表明:上电极与底电极金属之间的功函数差异显著影响器件的阻变特性,甚至会导致不同器件的set...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
M-I-M结构的RRAM器件。
根据电阻转变的阈值电压的极性可将RRAM分为单极性(unipolar)和双极性(bipolar)器件,其I-V特性曲线如图1.2所示。实验室环境下,大多使用直流电压或电流对器件进行扫描。而在实际应用时,则通过脉冲电压写入、擦除及读取信号。测试时,需要通过外部电路施加限制电流(Compliance current,CC)以防止从HRS转变为LRS时的大电流使得阻变材料发生不可逆的硬击穿。对于一些导电细丝型的RRAM器件,可以通过改变限制电流的大小,控制RRAM器件中导电细丝的数量和粗细来控制RRAM器件的阻值,实现多值存储的目的[24]。单极性RRAM器件的I-V特性曲线关于y轴对称,即器件的电阻转变行为仅与外加电场的大小有关,而与电场的方向无关。单极性RRAM器件从LRS转变为HRS多是由于焦耳热导致的导电细丝的熔断,因此其从LRS(“ON”状态)转变为HRS(“OFF”状态)时通常具有更高的电流,而从HRS转变为LRS通常需要更高的阈值电压[25]。对于双极性RRAM器件而言,器件的阻变行为与外加电场的方向有关。例如,若从HRS转变为LRS需要正向的扫描电压,则从LRS转变为HRS所需的电压方向与之相反。当RRAM仅具有HRS和LRS两个状态时,可以将其视为数字型器件,用于存储和构建现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)[26]进行数字逻辑运算。而当其有多个阻值状态时,可以将其视为模拟型器件,用于模拟生物神经网络中的神经突触[27]。目前有研究人员致力于开发出基于RRAM器件的人工神经网络芯片。
Ishan Varun等人研究了以金属氧化物HfOx为阻变层材料[32],PI为衬底的柔性Au/HfOx/Al RRAM器件,其结构和实物图分别如图1.3(a)和图1.3(b)所示。器件在低至0.18 V的读取电压下,阻变窗口为~41。常温下能稳定擦写16次。Hosseini等人使用以Ag纳米颗粒掺杂的有机物淀粉作为阻变层,以PET为衬底材料研究了Mg/Ag-doped chitosan/Mg/PET结构的柔性RRAM器件[11],器件结构和实物图分别如如图1.4(a)和1.4(b)所示。该器件的存储窗口约为102,可以在室温下擦写60次,高、低阻值可以保维持~104s。同时表现出良好的机械稳定性,在5mm的曲率半径下弯曲1000次后,器件的阻值状态仍能保持。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A highly conductive and stretchable wearable liquid metal electronic skin for long-term conformable health monitoring[J]. GUO Rui,WANG XueLin,YU WenZhuo,TANG JianBo,LIU Jing. Science China（Technological Sciences）. 2018(07)
博士论文
[1]面向高密度阻变存储器应用的阈值选通器件研究[D]. 王超.中国科学技术大学 2018
[2]柔性传感器件材料表征、结构设计以及系统应用[D]. 徐天白.浙江大学 2017
[3]几种纳米复合氧化物阻变器件的原子层沉积制备及其存储特性和忆阻功能的研究[D]. 王来国.南京大学 2017
[4]透明及柔性金属氧化物薄膜阻变存储器研究[D]. 武兴会.华中科技大学 2015
[5]新型阻变存储器材料及其电阻转变机理研究[D]. 陈超.清华大学 2013
硕士论文
[1]基于聚氧化乙烯的高性能摩擦纳米发电机及其应用研究[D]. 丁鹏.浙江大学 2019
[2]基于明胶薄膜的阻变存储器的研究[D]. 葛露萍.浙江大学 2017
本文编号：3123141
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
M-I-M结构的RRAM器件。
根据电阻转变的阈值电压的极性可将RRAM分为单极性(unipolar)和双极性(bipolar)器件,其I-V特性曲线如图1.2所示。实验室环境下,大多使用直流电压或电流对器件进行扫描。而在实际应用时,则通过脉冲电压写入、擦除及读取信号。测试时,需要通过外部电路施加限制电流(Compliance current,CC)以防止从HRS转变为LRS时的大电流使得阻变材料发生不可逆的硬击穿。对于一些导电细丝型的RRAM器件,可以通过改变限制电流的大小,控制RRAM器件中导电细丝的数量和粗细来控制RRAM器件的阻值,实现多值存储的目的[24]。单极性RRAM器件的I-V特性曲线关于y轴对称,即器件的电阻转变行为仅与外加电场的大小有关,而与电场的方向无关。单极性RRAM器件从LRS转变为HRS多是由于焦耳热导致的导电细丝的熔断,因此其从LRS(“ON”状态)转变为HRS(“OFF”状态)时通常具有更高的电流,而从HRS转变为LRS通常需要更高的阈值电压[25]。对于双极性RRAM器件而言,器件的阻变行为与外加电场的方向有关。例如,若从HRS转变为LRS需要正向的扫描电压,则从LRS转变为HRS所需的电压方向与之相反。当RRAM仅具有HRS和LRS两个状态时,可以将其视为数字型器件,用于存储和构建现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)[26]进行数字逻辑运算。而当其有多个阻值状态时,可以将其视为模拟型器件,用于模拟生物神经网络中的神经突触[27]。目前有研究人员致力于开发出基于RRAM器件的人工神经网络芯片。
Ishan Varun等人研究了以金属氧化物HfOx为阻变层材料[32],PI为衬底的柔性Au/HfOx/Al RRAM器件,其结构和实物图分别如图1.3(a)和图1.3(b)所示。器件在低至0.18 V的读取电压下,阻变窗口为~41。常温下能稳定擦写16次。Hosseini等人使用以Ag纳米颗粒掺杂的有机物淀粉作为阻变层,以PET为衬底材料研究了Mg/Ag-doped chitosan/Mg/PET结构的柔性RRAM器件[11],器件结构和实物图分别如如图1.4(a)和1.4(b)所示。该器件的存储窗口约为102,可以在室温下擦写60次,高、低阻值可以保维持~104s。同时表现出良好的机械稳定性,在5mm的曲率半径下弯曲1000次后,器件的阻值状态仍能保持。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A highly conductive and stretchable wearable liquid metal electronic skin for long-term conformable health monitoring[J]. GUO Rui,WANG XueLin,YU WenZhuo,TANG JianBo,LIU Jing. Science China（Technological Sciences）. 2018(07)
博士论文
[1]面向高密度阻变存储器应用的阈值选通器件研究[D]. 王超.中国科学技术大学 2018
[2]柔性传感器件材料表征、结构设计以及系统应用[D]. 徐天白.浙江大学 2017
[3]几种纳米复合氧化物阻变器件的原子层沉积制备及其存储特性和忆阻功能的研究[D]. 王来国.南京大学 2017
[4]透明及柔性金属氧化物薄膜阻变存储器研究[D]. 武兴会.华中科技大学 2015
[5]新型阻变存储器材料及其电阻转变机理研究[D]. 陈超.清华大学 2013
硕士论文
[1]基于聚氧化乙烯的高性能摩擦纳米发电机及其应用研究[D]. 丁鹏.浙江大学 2019
[2]基于明胶薄膜的阻变存储器的研究[D]. 葛露萍.浙江大学 2017
本文编号：3123141
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