本文關(guān)鍵詞：基于新型微納結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器基礎(chǔ)研究

  更多相關(guān)文章： 柔性壓力傳感器 高斯隨機(jī)分布 線性 惡劣環(huán)境 灰度光刻

【摘要】：隨著信息社會(huì)的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步,人們對(duì)周邊環(huán)境信息的采集深度與廣度不斷提升,柔性壓力傳感器作為一類十分重要的信息采集器件得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,使用數(shù)量已非�？捎^。不僅如此,該類器件已經(jīng)為社會(huì)生活的多個(gè)方面帶來(lái)了革命性變化,被廣泛的應(yīng)用在機(jī)器人,可穿戴電子設(shè)備,人機(jī)交互,智能蒙皮等領(lǐng)域,針對(duì)柔性壓力傳感器的研究也成為近年來(lái)的熱點(diǎn)。然而,雖然相關(guān)研究不斷深入,但總體上仍不成熟,本文圍繞相關(guān)器件在理論模型、制作工藝和器件結(jié)構(gòu)等方面存在的主要問(wèn)題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。基于當(dāng)今主流的兩大電子器件柔性化方法(有機(jī)材料和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料),分兩個(gè)方面進(jìn)行探索。對(duì)于采用有機(jī)材料和納米材料的柔性壓力傳感器,目前相關(guān)的研究還主要停留在材料和實(shí)驗(yàn)上的探索,理論上的研究相對(duì)較少。本文基于這一現(xiàn)狀,針對(duì)不同機(jī)理和微觀結(jié)構(gòu)的器件提出了不同的器件理論模型和一整套具有通用性的分析流程。分析結(jié)果能夠囊括很大一部分目前該領(lǐng)域的研究結(jié)果,基于對(duì)分析結(jié)果的討論以及對(duì)目前該領(lǐng)域內(nèi)器件普遍不具有線性響應(yīng)特性,高靈敏度只能維持在很小的低壓力區(qū)間而影響了實(shí)際應(yīng)用這一現(xiàn)狀,提出了具有高斯隨機(jī)分布微結(jié)構(gòu)和壓阻接觸復(fù)合型機(jī)理的器件模型。基于硅膠炭黑納米復(fù)合材料,制作封裝并測(cè)試了采用前述高斯隨機(jī)分布微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器件。測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該器件在0-14 k Pa范圍內(nèi)具有線性響應(yīng)特性,靈敏度達(dá)到13.8 k Pa-1,器件在400次循環(huán)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中保持穩(wěn)定輸出。該器件能夠兼顧高靈敏度和寬線性響應(yīng)范圍這兩大優(yōu)勢(shì),同時(shí)還具有良好的性能穩(wěn)定性�；谶@一優(yōu)良特性,在該器件應(yīng)用于柔性腕帶式心率測(cè)量系統(tǒng)和水下流體動(dòng)力學(xué)探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用探索,取得良好的器件性能和實(shí)用效果。基于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料本身的耐高溫特性,設(shè)計(jì)并制作了一款基于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的耐高溫柔性壓力傳感器。不同于以往器件中仍舊采用有機(jī)材料作為襯底的柔性島橋式結(jié)構(gòu)或波浪式結(jié)構(gòu),器件全部采用無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料。利用200nm氧化硅波浪形薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓力傳感,而該結(jié)構(gòu)同樣能夠承受一定的柔性應(yīng)變。通過(guò)對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行背硅減薄實(shí)現(xiàn)柔性化。通過(guò)采用灰度光刻工藝實(shí)現(xiàn)精確可調(diào)的曲面犧牲層來(lái)實(shí)現(xiàn)具有特定力學(xué)性能的波浪形氧化硅薄膜并最終實(shí)現(xiàn)了高密度的柔性傳感器陣列。通過(guò)器件AFM探針測(cè)試可知單個(gè)器件能夠?qū)崿F(xiàn)8微牛范圍內(nèi)的線性壓力傳感,等效線性壓力傳感范圍為0-29.6 k Pa。器件能夠?qū)崿F(xiàn)最小15mm的彎曲曲率半徑,在350攝氏度的高溫下保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性而不損壞。這一研究開拓了基于無(wú)機(jī)硅半導(dǎo)體材料柔性壓力傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,其優(yōu)異的耐溫特性是傳統(tǒng)的有機(jī)柔性壓力傳感器所無(wú)法替代的。
【關(guān)鍵詞】：柔性壓力傳感器 高斯隨機(jī)分布 線性 惡劣環(huán)境 灰度光刻
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP212
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-31
• 1.1 柔性電子器件的發(fā)展以及研究意義10-19
• 1.1.1 采用傳統(tǒng)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的柔性電子器件11-15
• 1.1.2 采用柔性材料的柔性電子器件15-17
• 1.1.3 柔性電子器件的應(yīng)用17-19
• 1.2 柔性壓力傳感器的研究現(xiàn)狀19-28
• 1.2.1 基于有機(jī)以及納米材料的柔性壓力傳感器研究現(xiàn)狀20-25
• 1.2.2 基于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的柔性壓力傳感器研究現(xiàn)狀25-27
• 1.2.3 現(xiàn)有研究所存在的問(wèn)題27-28
• 1.3 論文的研究目標(biāo)與研究?jī)?nèi)容28-31
• 1.3.1 論文研究目標(biāo)與意義28-29
• 1.3.2 研究目標(biāo)，，研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)安排29-31
• 第2章 基于新型微納結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器的理論研究31-54
• 2.1 三種不同工作機(jī)理的理論探索和比較分析31-34
• 2.2 基于高斯隨機(jī)分布表面微結(jié)構(gòu)和接觸壓阻復(fù)合型機(jī)理的柔性壓力傳感器34-37
• 2.3 九種不同的表面形貌的模型建立37-39
• 2.4 柔性壓力傳感器數(shù)值分析流程39-43
• 2.4.1 九種不同的表面形貌的高度分布函數(shù)的提取40-41
• 2.4.2 電容型柔性壓力傳感器的工作機(jī)理及模型建立41-42
• 2.4.3 接觸型柔性壓力傳感器的工作機(jī)理及模型建立42
• 2.4.4 接觸及壓阻復(fù)合型壓力傳感器的工作機(jī)理及模型建立42-43
• 2.5 數(shù)值仿真分析的結(jié)果以及分析43-52
• 2.5.1 不同表面形貌對(duì)器件力學(xué)性能的影響43-44
• 2.5.2 表面形貌以及工作機(jī)理對(duì)器件整體響應(yīng)以及線性度的影響44-46
• 2.5.3 表面形貌以及工作機(jī)理對(duì)器件響應(yīng)靈敏度的影響46-48
• 2.5.4 表面形貌以及工作機(jī)理對(duì)器件重復(fù)性可靠性的影響48-52
• 2.6 本章小結(jié)52-54
• 第3章 基于有機(jī)聚合物納米復(fù)合材料和新型微納結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器54-99
• 3.1 壓阻柔性納米復(fù)合材料的制備54-56
• 3.2 柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制作封裝工藝56-59
• 3.3 高靈敏度寬線性范圍柔性壓力傳感器的測(cè)試和表征59-79
• 3.3.1 針對(duì)器件的測(cè)試要求進(jìn)行測(cè)試平臺(tái)的搭建及器件讀出電路的確定59-64
• 3.3.2 柔性壓力傳感器微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)和表征64-67
• 3.3.3 柔性壓力傳感器的循環(huán)響應(yīng)及靈敏度測(cè)試67-70
• 3.3.4 柔性壓力傳感器的重復(fù)性測(cè)試70-72
• 3.3.5 柔性壓力傳感器的頻率響應(yīng)特性72-73
• 3.3.6 柔性壓力傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)特性73-74
• 3.3.7 柔性壓力傳感器的回滯特性74-75
• 3.3.8 柔性壓力傳感器的溫度特性75-76
• 3.3.9 柔性壓力傳感器對(duì)風(fēng)載，壓力，彎曲和扭曲的響應(yīng)特性76-78
• 3.3.10 本工作中器件的靈敏度和線性響應(yīng)范圍與其他工作的對(duì)比78-79
• 3.4 基于柔性壓力傳感器的柔性腕帶式心率計(jì)研究79-87
• 3.4.1 柔性腕帶式心率計(jì)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及需要解決的問(wèn)題79-83
• 3.4.2 柔性腕帶式心率計(jì)的器件制作及封裝工藝83
• 3.4.3 柔性腕帶式心率計(jì)的抗干擾讀出電路以及計(jì)數(shù)電路83-85
• 3.4.4 柔性腕帶式心率計(jì)的測(cè)試85-87
• 3.5 基于柔性壓力傳感器的流體動(dòng)力學(xué)測(cè)量研究87-96
• 3.5.1 基于微納結(jié)構(gòu)的柔性器件用于流體動(dòng)力學(xué)傳感器的可行性以及有待解決的問(wèn)題87-90
• 3.5.2 柔性流體動(dòng)力學(xué)傳感器的制作及封裝工藝90-91
• 3.5.3 柔性流體動(dòng)力學(xué)傳感器的水下測(cè)試及相關(guān)仿真分析91-96
• 3.6 本章小結(jié)96-99
• 第4章 基于硅基半導(dǎo)體材料的新型柔性壓力傳感器99-131
• 4.1 硅基半導(dǎo)體材料的耐高溫柔性壓力傳感器陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)99-101
• 4.2 基于硅基半導(dǎo)體材料的耐高溫柔性壓力傳感器的仿真分析101-103
• 4.3 硅基柔性壓力傳感器陣列的曲面犧牲層工藝實(shí)現(xiàn)103-116
• 4.3.1 灰度光刻技術(shù)原理105-106
• 4.3.2 灰度光刻工藝參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)106-111
• 4.3.3 灰度光刻工藝數(shù)值仿真分析111-113
• 4.3.4 灰度光刻工藝版圖設(shè)計(jì)113-116
• 4.3.5 度光刻工藝實(shí)現(xiàn)曲面犧牲層的曝光以及顯影工藝116
• 4.4 硅基柔性壓力傳感器陣列的曲面結(jié)構(gòu)層淀積及圖形化刻蝕工藝116-120
• 4.4.1 曲面結(jié)構(gòu)層低溫PECVD沉積工藝116-117
• 4.4.2 具有2微米高差的曲面結(jié)構(gòu)襯底上的光刻以及刻蝕工藝117-120
• 4.5 犧牲層釋放工藝120-123
• 4.6 背硅減薄柔性化工藝123-124
• 4.7 器件測(cè)試124-129
• 4.7.1 單器件壓力傳感性能測(cè)試124-128
• 4.7.2 傳感器陣列耐高溫性能測(cè)試128-129
• 4.8 本章小結(jié)129-131
• 第5章 結(jié)論131-135
• 5.1 論文的主要研究成果131-132
• 5.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)132-133
• 5.3 未來(lái)工作展望133-135
• 參考文獻(xiàn)135-142
• 致謝142-144
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果144

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