一種基于AlN薄膜的的柔性可穿戴壓電觸覺傳感器開發(fā)

壓電微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）可以滿足人們對小尺寸、低功耗傳感器日益增長的需求。對于觸覺應(yīng)用和壓力測量，它們被應(yīng)用于從機(jī)器人到醫(yī)療保健的各個(gè)領(lǐng)域。在這種情況下，柔性器件因其高響應(yīng)度和表面適應(yīng)能力而顯得非常重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，意大利技術(shù)研究所（Istituto Italiano di Tecnologia）的研究人員開發(fā)了一種小型化的柔性壓電器件，以增加可集成傳感器的數(shù)量，用于以最小的串?dāng)_檢測和區(qū)分單位面積的局部壓力和接觸。為此，實(shí)現(xiàn)了一系列不同直徑（5 ~ 500 μm）的氮化鋁（AlN）壓電傳感器，并通過差分電壓放大器電路對傳感器變形產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行放大。通過分析隨施加壓力變化的壓電信號(hào)的形狀，觀察到由于壓電變形引起的振蕩疊加在與觸摸事件對應(yīng)的初始峰值信號(hào)上。通過計(jì)算電信號(hào)的積分，可以準(zhǔn)確地描述傳感器的響應(yīng)。在直徑為200 μm和500 μm的樣品中獲得了最佳的響應(yīng)度。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在低于-20 dB串?dāng)_時(shí)，傳感器邊緣之間的最小距離約為500 μm。相關(guān)研究成果以“Fabrication, Characterization, and Signal Processing Optimization of Flexible and Wearable Piezoelectric Tactile”為題發(fā)表于IEEE Sensors Journal期刊。

所開發(fā)的壓電傳感器采用了一種基于AlN薄膜的夾層結(jié)構(gòu)，該薄膜嵌入在PI柔性襯底上生長的兩層鉬（Mo）之間。在壓電材料中，盡管AlN的壓電系數(shù)適中，但由于其良好的機(jī)械性能和相對較低的介電常數(shù)，AlN被選擇用于制造緊湊高效的壓電MEMS傳感器。此外，AlN是一種環(huán)保無毒的陶瓷材料。AlN表現(xiàn)出很高的耐溫性和耐濕性，可以直接沉積在柔軟的襯底上，使其有利于其在柔性可穿戴電子設(shè)備中實(shí)施。

PI 2555襯底上AlN夾層/Mo/AlN壓電疊層的制造設(shè)計(jì)

采用反應(yīng)濺射紫外（UV）光刻和干法蝕刻在PI襯底上制備了以Mo/AlN/Mo薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)為特征的柔性壓電樣品。濺射堆疊的特征在于單次沉積的AlN夾層（120 nm）和底部Mo電極（200 nm）、壓電AlN（1.5 μm）層和頂部Mo電極（200 nm）。研究人員制備了一系列不同尺寸的壓電傳感器，其直徑從5 μm到500 μm不等。

一系列不同直徑的壓電傳感器

通過測量每個(gè)傳感器在釋放過程前后的電容和阻抗來評估所制造的傳感器的電學(xué)性能。研究人員觀察到直徑范圍從20到500 μm的傳感器表現(xiàn)出與預(yù)期相符的電學(xué)行為。在固定壓力下，所產(chǎn)生的電信號(hào)與每個(gè)樣品的直徑呈線性關(guān)系。通過分析輸出電信號(hào)的形狀隨施加壓力的變化規(guī)律，利用傳感器輸出的數(shù)值積分獲得了標(biāo)定曲線。對于有源區(qū)直徑為200 μm和500 μm的傳感器，響應(yīng)度值分別為0.001 Vs/kPa和0.015 Vs/kPa，動(dòng)態(tài)范圍的值分別為314 kPa和36.5 kPa。這些傳感器的有源區(qū)小于0.2 mm2，提高了器件小型化方面的現(xiàn)有水平。在串?dāng)_分析中，研究人員發(fā)現(xiàn)具有-20 dB串?dāng)_傳感器之間的最小距離約為0.5 mm，表明這是觸覺應(yīng)用的安全距離。

釋放過程前后的電學(xué)特性

串?dāng)_分析

總而言之，在這項(xiàng)工作中，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于觸覺感知的柔性、可穿戴、高靈敏度的壓電式壓力傳感器。它能夠通過自定義實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)來監(jiān)測細(xì)微的抓取運(yùn)動(dòng)。在對所選壓電材料（AlN）的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行表征后，實(shí)現(xiàn)了一系列直徑在5 ~ 500 μm之間的柔性壓電傳感器，并且確定了能夠保持壓電器件功能的最小傳感器尺寸（約20μm）。通過這些傳感器的電學(xué)特性，觀察到直徑范圍從20到500 μm的傳感器表現(xiàn)出與預(yù)期相符的電學(xué)行為。根據(jù)串?dāng)_分析發(fā)現(xiàn)，具有-20 dB串?dāng)_的傳感器之間的最小距離約為0.5 mm。此外，在這項(xiàng)工作中介紹的AlN壓電薄膜的信號(hào)處理基于校準(zhǔn)階段的數(shù)值積分，并允許增加小型化壓力傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，這在以前尚未得到利用。在響應(yīng)性和動(dòng)態(tài)范圍方面的改進(jìn)，表明可以利用這種集成方法直接校準(zhǔn)壓電傳感器，并監(jiān)測在抓取和操縱活動(dòng)中涉及的細(xì)微運(yùn)動(dòng)中的電信號(hào)。

審核編輯：劉清