基于新型微纳结构的柔性压力传感器基础研究

发布时间：2017-08-01 07:50

  本文关键词：基于新型微纳结构的柔性压力传感器基础研究

  更多相关文章： 柔性压力传感器 高斯随机分布 线性 恶劣环境 灰度光刻

【摘要】：随着信息社会的发展,物联网技术的不断进步,人们对周边环境信息的采集深度与广度不断提升,柔性压力传感器作为一类十分重要的信息采集器件得到越来越广泛的应用,使用数量已非常可观。不仅如此,该类器件已经为社会生活的多个方面带来了革命性变化,被广泛的应用在机器人,可穿戴电子设备,人机交互,智能蒙皮等领域,针对柔性压力传感器的研究也成为近年来的热点。然而,虽然相关研究不断深入,但总体上仍不成熟,本文围绕相关器件在理论模型、制作工艺和器件结构等方面存在的主要问题进行了深入系统的研究。基于当今主流的两大电子器件柔性化方法(有机材料和无机半导体材料),分两个方面进行探索。对于采用有机材料和纳米材料的柔性压力传感器,目前相关的研究还主要停留在材料和实验上的探索,理论上的研究相对较少。本文基于这一现状,针对不同机理和微观结构的器件提出了不同的器件理论模型和一整套具有通用性的分析流程。分析结果能够囊括很大一部分目前该领域的研究结果,基于对分析结果的讨论以及对目前该领域内器件普遍不具有线性响应特性,高灵敏度只能维持在很小的低压力区间而影响了实际应用这一现状,提出了具有高斯随机分布微结构和压阻接触复合型机理的器件模型。基于硅胶炭黑纳米复合材料,制作封装并测试了采用前述高斯随机分布微结构柔性压力传感器件。测试实验验证了该器件在0-14 k Pa范围内具有线性响应特性,灵敏度达到13.8 k Pa-1,器件在400次循环实验测试中保持稳定输出。该器件能够兼顾高灵敏度和宽线性响应范围这两大优势,同时还具有良好的性能稳定性。基于这一优良特性,在该器件应用于柔性腕带式心率测量系统和水下流体动力学探测领域进行了应用探索,取得良好的器件性能和实用效果。基于无机半导体材料本身的耐高温特性,设计并制作了一款基于无机半导体材料的耐高温柔性压力传感器。不同于以往器件中仍旧采用有机材料作为衬底的柔性岛桥式结构或波浪式结构,器件全部采用无机半导体材料。利用200nm氧化硅波浪形薄膜结构进行压力传感,而该结构同样能够承受一定的柔性应变。通过对整个器件进行背硅减薄实现柔性化。通过采用灰度光刻工艺实现精确可调的曲面牺牲层来实现具有特定力学性能的波浪形氧化硅薄膜并最终实现了高密度的柔性传感器阵列。通过器件AFM探针测试可知单个器件能够实现8微牛范围内的线性压力传感,等效线性压力传感范围为0-29.6 k Pa。器件能够实现最小15mm的弯曲曲率半径,在350摄氏度的高温下保持结构的稳定性而不损坏。这一研究开拓了基于无机硅半导体材料柔性压力传感器的应用领域,其优异的耐温特性是传统的有机柔性压力传感器所无法替代的。
【关键词】：柔性压力传感器 高斯随机分布 线性 恶劣环境 灰度光刻
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-31
• 1.1 柔性电子器件的发展以及研究意义10-19
• 1.1.1 采用传统无机半导体材料的柔性电子器件11-15
• 1.1.2 采用柔性材料的柔性电子器件15-17
• 1.1.3 柔性电子器件的应用17-19
• 1.2 柔性压力传感器的研究现状19-28
• 1.2.1 基于有机以及纳米材料的柔性压力传感器研究现状20-25
• 1.2.2 基于无机半导体材料的柔性压力传感器研究现状25-27
• 1.2.3 现有研究所存在的问题27-28
• 1.3 论文的研究目标与研究内容28-31
• 1.3.1 论文研究目标与意义28-29
• 1.3.2 研究目标，，研究内容与结构安排29-31
• 第2章 基于新型微纳结构的柔性压力传感器的理论研究31-54
• 2.1 三种不同工作机理的理论探索和比较分析31-34
• 2.2 基于高斯随机分布表面微结构和接触压阻复合型机理的柔性压力传感器34-37
• 2.3 九种不同的表面形貌的模型建立37-39
• 2.4 柔性压力传感器数值分析流程39-43
• 2.4.1 九种不同的表面形貌的高度分布函数的提取40-41
• 2.4.2 电容型柔性压力传感器的工作机理及模型建立41-42
• 2.4.3 接触型柔性压力传感器的工作机理及模型建立42
• 2.4.4 接触及压阻复合型压力传感器的工作机理及模型建立42-43
• 2.5 数值仿真分析的结果以及分析43-52
• 2.5.1 不同表面形貌对器件力学性能的影响43-44
• 2.5.2 表面形貌以及工作机理对器件整体响应以及线性度的影响44-46
• 2.5.3 表面形貌以及工作机理对器件响应灵敏度的影响46-48
• 2.5.4 表面形貌以及工作机理对器件重复性可靠性的影响48-52
• 2.6 本章小结52-54
• 第3章 基于有机聚合物纳米复合材料和新型微纳结构的柔性压力传感器54-99
• 3.1 压阻柔性纳米复合材料的制备54-56
• 3.2 柔性压力传感器的结构设计以及制作封装工艺56-59
• 3.3 高灵敏度宽线性范围柔性压力传感器的测试和表征59-79
• 3.3.1 针对器件的测试要求进行测试平台的搭建及器件读出电路的确定59-64
• 3.3.2 柔性压力传感器微观结构的观测和表征64-67
• 3.3.3 柔性压力传感器的循环响应及灵敏度测试67-70
• 3.3.4 柔性压力传感器的重复性测试70-72
• 3.3.5 柔性压力传感器的频率响应特性72-73
• 3.3.6 柔性压力传感器的瞬态响应特性73-74
• 3.3.7 柔性压力传感器的回滞特性74-75
• 3.3.8 柔性压力传感器的温度特性75-76
• 3.3.9 柔性压力传感器对风载，压力，弯曲和扭曲的响应特性76-78
• 3.3.10 本工作中器件的灵敏度和线性响应范围与其他工作的对比78-79
• 3.4 基于柔性压力传感器的柔性腕带式心率计研究79-87
• 3.4.1 柔性腕带式心率计的应用优势及需要解决的问题79-83
• 3.4.2 柔性腕带式心率计的器件制作及封装工艺83
• 3.4.3 柔性腕带式心率计的抗干扰读出电路以及计数电路83-85
• 3.4.4 柔性腕带式心率计的测试85-87
• 3.5 基于柔性压力传感器的流体动力学测量研究87-96
• 3.5.1 基于微纳结构的柔性器件用于流体动力学传感器的可行性以及有待解决的问题87-90
• 3.5.2 柔性流体动力学传感器的制作及封装工艺90-91
• 3.5.3 柔性流体动力学传感器的水下测试及相关仿真分析91-96
• 3.6 本章小结96-99
• 第4章 基于硅基半导体材料的新型柔性压力传感器99-131
• 4.1 硅基半导体材料的耐高温柔性压力传感器阵列的结构设计99-101
• 4.2 基于硅基半导体材料的耐高温柔性压力传感器的仿真分析101-103
• 4.3 硅基柔性压力传感器阵列的曲面牺牲层工艺实现103-116
• 4.3.1 灰度光刻技术原理105-106
• 4.3.2 灰度光刻工艺参数标定试验106-111
• 4.3.3 灰度光刻工艺数值仿真分析111-113
• 4.3.4 灰度光刻工艺版图设计113-116
• 4.3.5 度光刻工艺实现曲面牺牲层的曝光以及显影工艺116
• 4.4 硅基柔性压力传感器阵列的曲面结构层淀积及图形化刻蚀工艺116-120
• 4.4.1 曲面结构层低温PECVD沉积工艺116-117
• 4.4.2 具有2微米高差的曲面结构衬底上的光刻以及刻蚀工艺117-120
• 4.5 牺牲层释放工艺120-123
• 4.6 背硅减薄柔性化工艺123-124
• 4.7 器件测试124-129
• 4.7.1 单器件压力传感性能测试124-128
• 4.7.2 传感器阵列耐高温性能测试128-129
• 4.8 本章小结129-131
• 第5章 结论131-135
• 5.1 论文的主要研究成果131-132
• 5.2 论文创新点132-133
• 5.3 未来工作展望133-135
• 参考文献135-142
• 致谢142-144
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果144

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