中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
復雜外力的精準解耦是推動(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)域具有重要的應用價(jià)值。然而，傳統雙模態(tài)傳感器在器件制備與信號解耦方面面臨異質(zhì)功能層集成困難、信號串擾嚴重等挑戰。針對這一問(wèn)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隊提出一種創(chuàng )新的解決方案：基于壓電電子學(xué)效應，通過(guò)協(xié)同調控典型壓電半導體材料(ZnO)內部載流子和壓電極化電荷，在單一材料中實(shí)現了雙模態(tài)力傳感。
通過(guò)低溫水熱法，結合稀土(Y)摻雜共生長(cháng)技術(shù)，制備載流子濃度可控、極化電荷可調的ZnO納米棒有序陣列，實(shí)現壓電特性與半導體特性協(xié)同增強。實(shí)驗與模擬結果共同證明，ZnO利用壓電勢作為“門(mén)”電壓調節／控制接觸處或結區載流子傳輸過(guò)程，可以在實(shí)現高靈敏度靜態(tài)力檢測的同時(shí)，也對持續靜態(tài)力有良好的檢測能力。
此外，研究團隊展示了其在監測跟腱行為方面的獨特應用，BPS能夠連續準確地識別跟腱行為，在解耦復雜生物力學(xué)信號方面的分類(lèi)準確率達到 96%。在此基礎上，傳感器還可以對運動(dòng)中跟腱危險行為進(jìn)行預警，出色的靈敏度和雙模監測能力使 BPS 成為用戶(hù)友好型長(cháng)期醫療保健監測可穿戴設備的理想選擇。這一發(fā)現為雙模態(tài)傳感器的設計提供了新思路，為發(fā)展新一代智能診療系統提供了重要參考。
I BPS的工作機制與跟腱行為檢測原理
如圖1所示，當受到恒定外力時(shí)，傳統的壓電傳感器會(huì )因產(chǎn)生極化電荷而產(chǎn)生瞬時(shí)電信號，但這些信號會(huì )因電荷中和而迅速衰減。相比之下，壓電電子學(xué)傳感器具有獨特的雙模態(tài)響應能力，能保持穩定的信號輸出，準確追蹤變化和恒定的力。對比兩者的結構可知：傳統的壓電傳感器采用垂直結構，在施加力的方向上產(chǎn)生電位差，從而產(chǎn)生瞬時(shí)信號；壓電電子學(xué)傳感器配有外部電源，利用壓電勢來(lái)調節界面勢壘高度，從而控制流經(jīng)傳感器的電流。為了細致分析壓電電子學(xué)器件的工作原理，以 n 型壓電半導體(ZnO)為例，將一端的銀電極定義為漏極，另一端定義為源極，當沿 c 軸產(chǎn)生應變時(shí)，該器件會(huì )在絕緣體/半導體界面上產(chǎn)生正壓電電荷，可有效降低勢壘高度，促進(jìn)電子穿過(guò)勢壘并產(chǎn)生電流變化。在恒定外力作用下，勢壘高度的變化始終保持不變，從而提供了檢測靜態(tài)力的能力。當 BPS 用于跟腱行為監測時(shí)，會(huì )由于跟腱的變形而發(fā)生彎曲或伸長(cháng)，進(jìn)而通過(guò)氧化鋅納米棒陣列將機械應變轉換為電輸出，隨后對信號進(jìn)行深度學(xué)習分析，可準確確定跟腱狀態(tài)、運動(dòng)模式和整體組織健康狀況，是無(wú)創(chuàng )生物力學(xué)監測技術(shù)的一大進(jìn)步。
圖1. BPS的設計理念與工作原理。(a)基于BPS的跟腱行為監測系統的示意圖。(b)傳統壓電傳感器無(wú)法檢測到靜態(tài)力，因為在保持外力時(shí)感應電荷會(huì )消散，而壓電電子傳感器可以檢測靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力。(c) 傳統壓電傳感器(頂部)和壓電電子學(xué)傳感器(底部)的結構比較。(d) BPS微觀(guān)工作機制示意圖。(e) BPS的金屬/絕緣體/壓電半導體結構示意圖以及正壓電電荷的相應傳導能帶分布。BPS附著(zhù)在跟腱上，隨著(zhù)跟腱的運動(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(guò)深度學(xué)習進(jìn)行運動(dòng)狀態(tài)分析(h)。
II ZnO和 Y-ZnO 的微觀(guān)結構及基本特性
為了探尋壓電性增強與壓電電子學(xué)特性的關(guān)系，研究團隊在ZnO中引入了稀土離子(Y)，可引起ZnO 原有晶體結構的對稱(chēng)性破缺，有助于增強壓電極化；另一方面，利用稀土離子獨特的表面電子狀態(tài)，降低金屬-半導體界面勢壘，優(yōu)化ZnO本征載流子濃度，提升載流子遷移率，改善半導體特性。利用拉曼光譜(Raman spectra)、穩態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀(PL)、X射線(xiàn)衍射(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)等表征手段，系統分析了稀土離子摻雜對ZnO晶格畸變、載流子狀態(tài)、極化電荷、界面勢壘等特性帶來(lái)的影響。研究結果表明，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。結合有限元分析，證明了載流子濃度降低會(huì )導致壓電性增強，從而增強了壓電電子學(xué)器件的性能。這種通過(guò)摻雜協(xié)同改變壓電性與半導體特性的策略，為設計高性能壓電電子學(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(jiàn)吸收光譜。
III BPS的電學(xué)性能表征
為了評估BPS的優(yōu)勢，研究團隊將其與傳統壓電器件以及已有研究中的ZnO基傳感器進(jìn)行了對比。結果表明，BPS在響應時(shí)間、靈敏度、增益因子等方面均優(yōu)于傳統壓電器件及ZnO基傳感器，且能連續相應一系列靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力。同時(shí)，通過(guò)對比ZnO與Y-ZnO的性能可知，壓電輸出增強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(zhù)增強了壓電響應。這些改變促進(jìn)了載流子在半導體界面上的傳輸，最終提高了 BPS 的性能，這為后續基于壓電電子學(xué)雙模態(tài)傳感器的發(fā)展奠定了基礎。
圖3. 傳統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(b)和響應/恢復時(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圖。(e) 在 -3 和 +3 V 之間的掃描偏壓下，BPS的I-V 特性曲線(xiàn)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)本研究與一些現有的ZnO基傳感器的增益因子比較。(i) ZnO 和 Y-ZnO 的 PFM 測試結果。 (j) 7～19N梯度靜壓下BPS的電流響應。(k) Y-ZnO與ZnO基本性質(zhì)比較。
IV 利用機器學(xué)習輔助跟腱行為監測
作為概念驗證，研究團隊驗證了BPS在跟腱行為檢測方面的應用，如拉伸、踮腳、走路等。實(shí)驗結果表明，BPS能精準識別出跟腱的行為，并分析出當前跟腱的健康狀態(tài)，識別準確率可達96%。除此之外，BPS在危險預計方面也展示出了應用前景，通過(guò)設置閾值，BPS能準確的在運動(dòng)過(guò)程中識別到危險動(dòng)作，并發(fā)出預警。這些特點(diǎn)為開(kāi)發(fā)雙模態(tài)應力傳感器帶來(lái)了更多的可能性，有望在無(wú)創(chuàng )檢測中促進(jìn)其應用。
圖4. (a) 用于捕捉各種姿勢的部署在跟腱上的BPS的示意圖、用于識別健康狀態(tài)的所構建的1D-CNN模型的詳細架構。(b) 4種跟腱行為的壓力分布和相應的電流反應。(c) 4種跟腱行為的電流強度比較。(d) 跟腱康復訓練期間動(dòng)態(tài)和靜態(tài)力的監測。(e) 采用t-SNE降維對深度學(xué)習后的輸出數據進(jìn)行可視化。(f) 跟腱運動(dòng)期間的早期預警。
V 總結
文章針對現有雙模態(tài)傳感器過(guò)度依賴(lài)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，實(shí)現了雙模態(tài)檢測。所開(kāi)發(fā)的器件表現出卓越的機電性能，開(kāi)/關(guān)比高達1029，測量因子高達23439，持續靜態(tài)力響應能力超過(guò)600秒。與傳統的壓電傳感器相比，其性能有著(zhù)較大的提升，尤其是在同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力檢測方面。作為概念驗證，所開(kāi)發(fā)的壓電傳感器能夠連續準確地識別跟腱行為，在解耦跟腱復雜行為的分類(lèi)準確率達到96%。出色的靈敏度和雙模監測能力使BPS成為用戶(hù)友好型長(cháng)期醫療保健監測可穿戴設備的理想選擇，在數字健康監測、智能軟機器人系統和交互式可穿戴電子設備中展現了廣闊的應用前景。文章不僅為雙模態(tài)傳感器的設計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)傳感器的設計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。
主要研究成果
副教授，博士生導師，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(fǎng)問(wèn)學(xué)者，入選全球前2％頂尖科學(xué)家榜單, 擔任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(自然科學(xué)版)編委。長(cháng)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研究，近年來(lái)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)研究成果獲授權發(fā)明專(zhuān)利10余件，部分專(zhuān)利已完成成果轉讓。主持國家自然科學(xué)基金NSAF聯(lián)合基金項目、青年科學(xué)基金項目、四川省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項目、四川省自然科學(xué)基金面上項目等多項國家及省部級科研項目。
