中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
復(fù)雜外力的精準(zhǔn)解耦是推動(dòng)智能傳感器發(fā)展的關(guān)鍵所在，其在人工智能、電子皮膚等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)雙模態(tài)傳感器在器件制備與信號(hào)解耦方面面臨異質(zhì)功能層集成困難、信號(hào)串?dāng)_嚴(yán)重等挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問題，西南交通大學(xué)材料學(xué)院鄧維禮副教授和楊維清教授團(tuán)隊(duì)提出一種創(chuàng)新的解決方案：基于壓電電子學(xué)效應(yīng)，通過協(xié)同調(diào)控典型壓電半導(dǎo)體材料(ZnO)內(nèi)部載流子和壓電極化電荷，在單一材料中實(shí)現(xiàn)了雙模態(tài)力傳感。
通過低溫水熱法，結(jié)合稀土(Y)摻雜共生長(zhǎng)技術(shù)，制備載流子濃度可控、極化電荷可調(diào)的ZnO納米棒有序陣列，實(shí)現(xiàn)壓電特性與半導(dǎo)體特性協(xié)同增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果共同證明，ZnO利用壓電勢(shì)作為“門”電壓調(diào)節(jié)／控制接觸處或結(jié)區(qū)載流子傳輸過程，可以在實(shí)現(xiàn)高靈敏度靜態(tài)力檢測(cè)的同時(shí)，也對(duì)持續(xù)靜態(tài)力有良好的檢測(cè)能力。
此外，研究團(tuán)隊(duì)展示了其在監(jiān)測(cè)跟腱行為方面的獨(dú)特應(yīng)用，BPS能夠連續(xù)準(zhǔn)確地識(shí)別跟腱行為，在解耦復(fù)雜生物力學(xué)信號(hào)方面的分類準(zhǔn)確率達(dá)到 96%。在此基礎(chǔ)上，傳感器還可以對(duì)運(yùn)動(dòng)中跟腱危險(xiǎn)行為進(jìn)行預(yù)警，出色的靈敏度和雙模監(jiān)測(cè)能力使 BPS 成為用戶友好型長(zhǎng)期醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)可穿戴設(shè)備的理想選擇。這一發(fā)現(xiàn)為雙模態(tài)傳感器的設(shè)計(jì)提供了新思路，為發(fā)展新一代智能診療系統(tǒng)提供了重要參考。
I BPS的工作機(jī)制與跟腱行為檢測(cè)原理
如圖1所示，當(dāng)受到恒定外力時(shí)，傳統(tǒng)的壓電傳感器會(huì)因產(chǎn)生極化電荷而產(chǎn)生瞬時(shí)電信號(hào)，但這些信號(hào)會(huì)因電荷中和而迅速衰減。相比之下，壓電電子學(xué)傳感器具有獨(dú)特的雙模態(tài)響應(yīng)能力，能保持穩(wěn)定的信號(hào)輸出，準(zhǔn)確追蹤變化和恒定的力。對(duì)比兩者的結(jié)構(gòu)可知：傳統(tǒng)的壓電傳感器采用垂直結(jié)構(gòu)，在施加力的方向上產(chǎn)生電位差，從而產(chǎn)生瞬時(shí)信號(hào)；壓電電子學(xué)傳感器配有外部電源，利用壓電勢(shì)來調(diào)節(jié)界面勢(shì)壘高度，從而控制流經(jīng)傳感器的電流。為了細(xì)致分析壓電電子學(xué)器件的工作原理，以 n 型壓電半導(dǎo)體(ZnO)為例，將一端的銀電極定義為漏極，另一端定義為源極，當(dāng)沿 c 軸產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，該器件會(huì)在絕緣體/半導(dǎo)體界面上產(chǎn)生正壓電電荷，可有效降低勢(shì)壘高度，促進(jìn)電子穿過勢(shì)壘并產(chǎn)生電流變化。在恒定外力作用下，勢(shì)壘高度的變化始終保持不變，從而提供了檢測(cè)靜態(tài)力的能力。當(dāng) BPS 用于跟腱行為監(jiān)測(cè)時(shí)，會(huì)由于跟腱的變形而發(fā)生彎曲或伸長(zhǎng)，進(jìn)而通過氧化鋅納米棒陣列將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電輸出，隨后對(duì)信號(hào)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)分析，可準(zhǔn)確確定跟腱狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)模式和整體組織健康狀況，是無創(chuàng)生物力學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的一大進(jìn)步。
圖1. BPS的設(shè)計(jì)理念與工作原理。(a)基于BPS的跟腱行為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的示意圖。(b)傳統(tǒng)壓電傳感器無法檢測(cè)到靜態(tài)力，因?yàn)樵诒３滞饬r(shí)感應(yīng)電荷會(huì)消散，而壓電電子傳感器可以檢測(cè)靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力。(c) 傳統(tǒng)壓電傳感器(頂部)和壓電電子學(xué)傳感器(底部)的結(jié)構(gòu)比較。(d) BPS微觀工作機(jī)制示意圖。(e) BPS的金屬/絕緣體/壓電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖以及正壓電電荷的相應(yīng)傳導(dǎo)能帶分布。BPS附著在跟腱上，隨著跟腱的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變形(f)，ZnO納米棒陣列也隨之產(chǎn)生形變 (g)，通過深度學(xué)習(xí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析(h)。
II ZnO和 Y-ZnO 的微觀結(jié)構(gòu)及基本特性
為了探尋壓電性增強(qiáng)與壓電電子學(xué)特性的關(guān)系，研究團(tuán)隊(duì)在ZnO中引入了稀土離子(Y)，可引起ZnO 原有晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性破缺，有助于增強(qiáng)壓電極化；另一方面，利用稀土離子獨(dú)特的表面電子狀態(tài)，降低金屬-半導(dǎo)體界面勢(shì)壘，優(yōu)化ZnO本征載流子濃度，提升載流子遷移率，改善半導(dǎo)體特性。利用拉曼光譜(Raman spectra)、穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀(PL)、X射線衍射(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)等表征手段，系統(tǒng)分析了稀土離子摻雜對(duì)ZnO晶格畸變、載流子狀態(tài)、極化電荷、界面勢(shì)壘等特性帶來的影響。研究結(jié)果表明，Y3?離子的引入有效增加了晶格畸變，有效了降低載流子濃度。結(jié)合有限元分析，證明了載流子濃度降低會(huì)導(dǎo)致壓電性增強(qiáng)，從而增強(qiáng)了壓電電子學(xué)器件的性能。這種通過摻雜協(xié)同改變壓電性與半導(dǎo)體特性的策略，為設(shè)計(jì)高性能壓電電子學(xué)傳感器提供了參考。
圖2. 未摻雜ZnO(左)和Y-ZnO(右)的橫截面(a)和縱截面(b)掃描圖像。比例尺為100 nm。(c) BPS的橫截面EDS光譜。(d) ZnO和Y-ZnO NRs的HRTEM圖像。比例尺為0.5 nm。(e) KPFM測(cè)量表面電位的示意圖。(f) 未摻雜ZnO-Au(I)和Y-ZnO-Au(Ⅱ)的表面電勢(shì)分布比較。(g) ZnO和Y-ZnO NRs的VB-XPS、(h) XRD圖譜、(i) 室溫PL光譜、(j) 拉曼光譜和 (k)紫外-可見吸收光譜。
III BPS的電學(xué)性能表征
為了評(píng)估BPS的優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)將其與傳統(tǒng)壓電器件以及已有研究中的ZnO基傳感器進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，BPS在響應(yīng)時(shí)間、靈敏度、增益因子等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)壓電器件及ZnO基傳感器，且能連續(xù)相應(yīng)一系列靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力。同時(shí)，通過對(duì)比ZnO與Y-ZnO的性能可知，壓電輸出增強(qiáng)的根本原因是摻雜降低了載流子濃度、增加了帶隙，減少了極化電荷屏蔽，顯著增強(qiáng)了壓電響應(yīng)。這些改變促進(jìn)了載流子在半導(dǎo)體界面上的傳輸，最終提高了 BPS 的性能，這為后續(xù)基于壓電電子學(xué)雙模態(tài)傳感器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
圖3. 傳統(tǒng)壓電傳感器和壓電電子學(xué)傳感器的比較在靜態(tài)力(a)、動(dòng)態(tài)力檢測(cè)(b)和響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間(c)方面的比較。(d) 用于比較兩種傳感器之間不同性能的雷達(dá)圖。(e) 在 -3 和 +3 V 之間的掃描偏壓下，BPS的I-V 特性曲線隨外力的改變而變化，(f) 在 -1.5、-1、-0.6、0、0.6、1 和 1.5 V 偏壓下 BPS 的電流-壓力關(guān)系。(g) 在不同正向和反向偏壓條件下，BPS 的電流變化比與壓力的關(guān)系。(h)本研究與一些現(xiàn)有的ZnO基傳感器的增益因子比較。(i) ZnO 和 Y-ZnO 的 PFM 測(cè)試結(jié)果。 (j) 7～19N梯度靜壓下BPS的電流響應(yīng)。(k) Y-ZnO與ZnO基本性質(zhì)比較。
IV 利用機(jī)器學(xué)習(xí)輔助跟腱行為監(jiān)測(cè)
作為概念驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了BPS在跟腱行為檢測(cè)方面的應(yīng)用，如拉伸、踮腳、走路等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BPS能精準(zhǔn)識(shí)別出跟腱的行為，并分析出當(dāng)前跟腱的健康狀態(tài)，識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)96%。除此之外，BPS在危險(xiǎn)預(yù)計(jì)方面也展示出了應(yīng)用前景，通過設(shè)置閾值，BPS能準(zhǔn)確的在運(yùn)動(dòng)過程中識(shí)別到危險(xiǎn)動(dòng)作，并發(fā)出預(yù)警。這些特點(diǎn)為開發(fā)雙模態(tài)應(yīng)力傳感器帶來了更多的可能性，有望在無創(chuàng)檢測(cè)中促進(jìn)其應(yīng)用。
圖4. (a) 用于捕捉各種姿勢(shì)的部署在跟腱上的BPS的示意圖、用于識(shí)別健康狀態(tài)的所構(gòu)建的1D-CNN模型的詳細(xì)架構(gòu)。(b) 4種跟腱行為的壓力分布和相應(yīng)的電流反應(yīng)。(c) 4種跟腱行為的電流強(qiáng)度比較。(d) 跟腱康復(fù)訓(xùn)練期間動(dòng)態(tài)和靜態(tài)力的監(jiān)測(cè)。(e) 采用t-SNE降維對(duì)深度學(xué)習(xí)后的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。(f) 跟腱運(yùn)動(dòng)期間的早期預(yù)警。
V 總結(jié)
文章針對(duì)現(xiàn)有雙模態(tài)傳感器過度依賴多功能層耦合的局限，創(chuàng)新性的在單一材料(ZnO)中利用壓電電子學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了雙模態(tài)檢測(cè)。所開發(fā)的器件表現(xiàn)出卓越的機(jī)電性能，開/關(guān)比高達(dá)1029，測(cè)量因子高達(dá)23439，持續(xù)靜態(tài)力響應(yīng)能力超過600秒。與傳統(tǒng)的壓電傳感器相比，其性能有著較大的提升，尤其是在同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力檢測(cè)方面。作為概念驗(yàn)證，所開發(fā)的壓電傳感器能夠連續(xù)準(zhǔn)確地識(shí)別跟腱行為，在解耦跟腱復(fù)雜行為的分類準(zhǔn)確率達(dá)到96%。出色的靈敏度和雙模監(jiān)測(cè)能力使BPS成為用戶友好型長(zhǎng)期醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)可穿戴設(shè)備的理想選擇，在數(shù)字健康監(jiān)測(cè)、智能軟機(jī)器人系統(tǒng)和交互式可穿戴電子設(shè)備中展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。文章不僅為雙模態(tài)傳感器的設(shè)計(jì)與性能提升提供了新的思路和方法，也為其他基于壓電電子學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)提供了有益的借鑒和參考。
作者簡(jiǎn)介
鄧維禮
西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 副教授
主要研究領(lǐng)域
納米功能材料(壓電、壓阻、光電)；柔性可穿戴傳感；自供能傳感一體化集成系統(tǒng)。
主要研究成果
副教授，博士生導(dǎo)師，四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人后備人選，四川省海外高層次留學(xué)人才，美國加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)及河濱分校(UCR)訪問學(xué)者，入選全球前2％頂尖科學(xué)家榜單, 擔(dān)任Nano-Micro Letters青年編委，Materials Futures青年編委，Soft Science青年編委，Journal of Functional Biomaterials編委，四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)編委。長(zhǎng)期從事關(guān)于力電耦合的納米功能材料及柔性電子的基礎(chǔ)研究，近年來以第一或通訊作者身份在Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano-Micro Lett.、InfoMat等國際知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，包括ESI熱點(diǎn)論文1篇，ESI高被引論文8篇，封面論文8篇，論文引用9000余次(Google Scholar)，相關(guān)研究成果獲授權(quán)發(fā)明專利10余件，部分專利已完成成果轉(zhuǎn)讓。主持國家自然科學(xué)基金NSAF聯(lián)合基金項(xiàng)目、青年科學(xué)基金項(xiàng)目、四川省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、四川省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等多項(xiàng)國家及省部級(jí)科研項(xiàng)目。
