Adv. Mater.：通過基于壓電效應的智能芯片，可對壓力分布進行可視化記錄和存儲

【引言】

壓力傳感器是電子皮膚的重要組成部分，通過使用電子設備，它可用來全方位的模擬人類皮膚。基于壓敏器件的其他應用包括醫學、保健檢測，機器人學，交互控制系統以及人工智能。有些壓敏電子設備的電阻和電容隨著外加應力而改變，為此，已經投入大量的研究去制備一種具有高靈敏度和分辨率的壓力傳感器。這些研究在大規模的壓力檢測和可視化方面已經取得了顯著的成就，但是，大多數的檢測系統都需要電腦進行實時記錄信號，因此，如果電腦未被連接，當某個壓力施加到系統上時，相應的信號不會重現，在某些應用領域中，譬如黑匣子，使用受到限制。

所以，如果傳感器設備在一定時間內可以自己存儲壓力信號，這對于其未來發展是非常有益的。目前關于在使用壓力傳感器的同時記錄數據的這方面的研究很少，因此，制備不需要外加電腦協助的壓力傳感器受到了廣泛關注。

【成果簡介】

近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士和潘曹峰研究員（共同通訊作者）等人成功制備了空間分辨率為500μm的壓力可視化和記錄系統（PVR）。這個方案是通過將具有壓電效應的ZnO納米線基質壓力傳感器（ZPS）與WO₃電致變色器件（ECD）整合來實現的，且每個像素是通過金電極層連接到ZPS組件頂部上的一組ZnO納米線。電致變色設備的著色和去著色過程展現出良好的穩定性，同時在300次循環后還有超過85%的色彩對比度得以維持。外部壓力的分布可以通過ZPS的壓電效應記錄和ECD上顏色的改變進行顯示，使用方便。未來，這種設備在人機界面以及智能機器人上的應用具有廣闊的前景。相關研究成果以“Visualization Recording and Storage of Pressure Distribution through a Smart Matrix Based on the Piezotronic Effect”為題于2017年5月3日發表在期刊Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 PVR系統的結構和構造過程

a）PVR系統結構的示意圖；

b）PVR系統構造過程的示意圖；

c）在旋涂SU-8光刻膠之前構造的ZnO NW基質的SEM圖，比例尺為200μm，ZnO NW的放大圖；

d）在旋涂SU-8層之前ZnO NW基質的SEM圖，比例尺為5μm；

e）在旋涂SU-8層之后ZnO NW基質的SEM圖，比例尺為5μm；

f）構造的中層Au電極和WO₃列陣的SEM圖，比例尺為200μm；

g）WO₃薄膜沉積在ITO電極上，比例尺為20μm；

h）WO₃薄膜沉積在ITO電極上的放大視圖，比例尺為200nm；

圖2 壓力傳感的壓電效應及工作機理

a）在各種外壓下，單個ZnONW像素的I-V特性；

b）在各種外壓下，ZnONW像素的I-t特性，該圖是為了論證其在+1V電壓下的穩定性和靈敏性。插圖表明在+1V外加壓力下電流的變化；

c）在無外加偏置電壓及無應變條件下，ZnONWs的能帶圖；

d）在無應變的正向偏壓條件下，ZnONWs的能帶圖；

e）在有壓縮應變的正向偏壓條件下，ZnONWs的能帶圖；

圖3 WO₃ ECD的性能

a）WO₃?薄片的循環伏安曲線。在20、50和100mV s^-1不同的掃描速率以及1摩硫酸溶液中，電壓在-0.5-0.8V的循環；

b）在-2V和+2V偏置電壓下，ECD著色和去著色過程的紫外可見光譜圖；

c）在632.8nm波長下測量的色彩轉換行為，插圖是單個轉換周期的放大圖；

d）在超過300次循環后裝置的循環穩定性；

e）在632.8nm波長下，進行光學密度及電荷密度的測試。著色效率為27.94cm² C^-1；

f）在632.8nm波長下，通過透射率進行ECD保色能力測試；

圖4 PVR系統的壓力可視化性能

a）設置實驗測量壓力可視化和記錄能力；

b）無外加壓力下，著色和去著色狀態的10×10像素列陣的RGB圖；

c）傳感區的像素分布；

d）0 MPa下，有“E”圖案印記的RGB圖；

e）12 MPa下，有“E”圖案印記的RGB圖；

f）20 MPa下，有“E”圖案印記的RGB圖；

g）增強因子E與外加電壓的關系，以及含有相應的單像素RGB圖；

【小結】

本文報道了一種通過整合壓電ZnO納米線基質壓力傳感器（ZPS）與WO₃電致變色器件（ECD）列陣構造PVR系統的方法。通過使用PVR系統，由于WO₃材料的色彩記憶效應以及ECD良好的循環穩定性和保色能力，外加壓力的分布可直接通過顏色的變化顯示，且在不需要電腦的情況下，數據可直接由ECD記錄。由此可知，這種系統在未來具有廣闊的應用價值。

文獻鏈接：Visualization Recording and Storage of Pressure Distribution through a Smart Matrix Based on the Piezotronic Effect（Adv. Mater. ，2017，DOI：10.1002/adma.201701253）

該文獻匯總由材料人編輯部納米學術組張虞供稿，材料牛編譯整理。

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