Adv.Mater.智能材料矩陣可對壓力分布進行視覺成像和記錄

【引言】

電子皮膚，一種運用電子器件模擬人類皮膚的設備，壓電傳感器是其基本組成部分。其它基于壓力敏感的設備包括生理監視器、機器人、界面控制系統、人工智能設備等等。一些壓力敏感設備的電阻和電容可以隨著外界壓力的變化而變化。基于此，很多關于開發高靈敏度和高分辨率的壓力傳感器的很好的研究工作得以完成。這些研究實現了大規模的壓力探測和成像。但是，幾乎所有的探測系統都需要電腦實時記錄來自壓電傳感器的信號。因此，如果電腦與系統斷開聯系，再向系統施加壓力信號，相關信號是不會被重現的。在一些極端的例子中，壓力信號不能被及時記錄，這就需要系統能夠保持壓力信號一段時間。但是關于這的研究現在非常少，但是無電腦壓力記錄傳感器迫切需要被實現。

【成果簡介】???????????????????????????????????

近日，來自中科院北京納米能源與系統所的王中林院士與潘曹峰研究員成功設計開發出了一種高質量壓力成像與記錄系統，實現了無外電腦壓力記錄，大大推動了相關領域的發展。研究成果以“Visualization Recording and Storage of Pressure Distribution through a Smart Matrix Based on the Piezotronic Effect”為題發表在Advanced? Materials上。

研究人員將氧化鎢薄膜電致發光設備（ECD）陣列（10×10像素點）和氧化鋅納米線矩陣壓力傳感器（ZPS）集成，開發出了一種空間分辨率達到500μm的壓力成像與記錄系統（PVR）。外界施加的壓力通過ZPS的壓電電子效應被記錄，然后直接被ECD的顏色變化表達出來。當對系統施加一個局部壓力，其可以讓氧化鋅納米線的兩端產生壓電極化電荷從而導致體系中電流的運輸，最后通過氧化鎢薄膜的顏色變化被表現出來。ECD的顯色和退色表現出很好的循環穩定性，在經過300次循環后，其仍能保持超過85%的顏色對比。在PVR系統中，由于氧化鎢的顏色記憶效應，施加在體系上的壓力在不需要外電腦的幫助就能被記錄。

研究人員開發的這種系統在人機交互界面、軍事、智能機器人等領域有巨大的應用前景，大大加速了相關領域的發展。

【圖文導讀】

圖1? PVR體系的結構和制備過程

（a）PVR系統的結構示意圖。

（b）PVR系統的制備過程示意圖。

（c）在旋涂一層SU-8光刻膠前，制備的氧化鋅納米線矩陣的SEM形貌圖。比例尺為200μm。

（d）在旋涂一層SU-8光刻膠前，制備的氧化鋅納米線矩陣的SEM形貌放大圖。比例尺為5μm。

（e）在旋涂一層SU-8光刻膠后，制備的氧化鋅納米線矩陣的SEM形貌放大圖。比例尺為5μm。

（f）制備的中間金電極層和氧化鎢薄膜陣列的SEM形貌圖。比例尺為200μm。

（g）沉積了ITO電極的氧化鎢薄膜。比例尺為20μm

（h）沉積了ITO電極的氧化鎢薄膜的放大圖。比例尺為200nm。

圖2? 壓力傳感的壓電電子效應和工作機理

（a）氧化鋅納米線像素施加不同壓力條件下電流與電壓特征曲線。

（b）氧化鋅納米線像素施加不同壓力條件下電流與時間的特征曲線，用來說明其穩定性而且靈敏度在+1V。

（c）氧化鋅納米線在無應變無外電壓條件下的能帶圖。

（d）氧化鋅納米線在無應變正向偏壓條件下的能帶圖。

（e）氧化鋅納米線在壓縮應變正向偏壓條件下的能帶圖。

圖3? WO₃ ECD性能

（a）氧化鎢薄膜的循環伏安圖，其在1 m H₂SO₄中，循環電壓最大值為0.8V，最低值為-0.5V，掃描速率分別為20、50、100 mV s^?1。

（b）在?2 V 和 +2 V偏壓下，顯色和退色的ECD紫外-可見光譜圖。

（c）632.8 nm下測得的顏色轉變行為。插圖是一個轉變周期的放大圖。

（d）超過300次的循環轉變圖。

（e）632.8 nm下，測試得到的光密度與載流子密度曲線圖。斜率值測量得到為27.94 cm² C^?1。

（f）顏色保留性能測試，通過測量632.8 nm下光的透過率得到。

圖4? 集成的PVR系統壓力成像性能

（a）測量壓力成像和記錄能力的實驗裝置。

（b）無外壓力條件下，10×10像素陣列在顯色和退色條件下RGB地圖。

（c）傳感區域的像素分布。

（e）壓力為0MPa條件下，具有E型圖案的RGB地圖。

（f）壓力為72.12MPa條件下，具有E型圖案的RGB地圖。

（g）壓力為120.20MPa條件下，具有E型圖案的RGB地圖。

（h）增強因子與施加壓力的曲線，和其對應的單像素的RGB圖像。

【小結】

研究人員將壓電電子的ZPS和氧化鎢薄膜ECD陣列（10×10像素點）集成從而制備出了PVR系統。ECD陣列中每個像素都與ZPS組件中特定的一束氧化鋅納米線對應連接。氧化鎢ECD表現出很好的循環穩定性，300次循環后仍保持著超過85%的顏色對比度。通過該系統，不需要電腦幫助，外壓力可以通過顏色改變視覺化成像，而且記錄在ECD區域中，這都得利于氧化鎢材料的顏色記憶能力。這種系統在人機交互界面、軍事、智能機器人等領域有巨大的應用前景。

【文獻信息】

Visualization Recording and Storage of Pressure Distribution through a Smart Matrix Based on the Piezotronic Effect（Advanced? Materials, 2017, Doi/10.1002/adma.201701253/full）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

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