Adv. Mater.：通过基于压电效应的智能芯片，可对压力分布进行可视化记录和存储

【引言】

压力传感器是电子皮肤的重要组成部分，通过使用电子设备，它可用来全方位的模拟人类皮肤。基于压敏器件的其他应用包括医学、保健检测，机器人学，交互控制系统以及人工智能。有些压敏电子设备的电阻和电容随着外加应力而改变，为此，已经投入大量的研究去制备一种具有高灵敏度和分辨率的压力传感器。这些研究在大规模的压力检测和可视化方面已经取得了显著的成就，但是，大多数的检测系统都需要电脑进行实时记录信号，因此，如果电脑未被连接，当某个压力施加到系统上时，相应的信号不会重现，在某些应用领域中，譬如黑匣子，使用受到限制。

所以，如果传感器设备在一定时间内可以自己存储压力信号，这对于其未来发展是非常有益的。目前关于在使用压力传感器的同时记录数据的这方面的研究很少，因此，制备不需要外加电脑协助的压力传感器受到了广泛关注。

【成果简介】

近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士和潘曹峰研究员（共同通讯作者）等人成功制备了空间分辨率为500μm的压力可视化和记录系统（PVR）。这个方案是通过将具有压电效应的ZnO纳米线基质压力传感器（ZPS）与WO₃电致变色器件（ECD）整合来实现的，且每个像素是通过金电极层连接到ZPS组件顶部上的一组ZnO纳米线。电致变色设备的着色和去着色过程展现出良好的稳定性，同时在300次循环后还有超过85%的色彩对比度得以维持。外部压力的分布可以通过ZPS的压电效应记录和ECD上颜色的改变进行显示，使用方便。未来，这种设备在人机界面以及智能机器人上的应用具有广阔的前景。相关研究成果以“Visualization Recording and Storage of Pressure Distribution through a Smart Matrix Based on the Piezotronic Effect”为题于2017年5月3日发表在期刊Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 PVR系统的结构和构造过程

a）PVR系统结构的示意图；

b）PVR系统构造过程的示意图；

c）在旋涂SU-8光刻胶之前构造的ZnO NW基质的SEM图，比例尺为200μm，ZnO NW的放大图；

d）在旋涂SU-8层之前ZnO NW基质的SEM图，比例尺为5μm；

e）在旋涂SU-8层之后ZnO NW基质的SEM图，比例尺为5μm；

f）构造的中层Au电极和WO₃列阵的SEM图，比例尺为200μm；

g）WO₃薄膜沉积在ITO电极上，比例尺为20μm；

h）WO₃薄膜沉积在ITO电极上的放大视图，比例尺为200nm；

图2 压力传感的压电效应及工作机理

a）在各种外压下，单个ZnONW像素的I-V特性；

b）在各种外压下，ZnONW像素的I-t特性，该图是为了论证其在+1V电压下的稳定性和灵敏性。插图表明在+1V外加压力下电流的变化；

c）在无外加偏置电压及无应变条件下，ZnONWs的能带图；

d）在无应变的正向偏压条件下，ZnONWs的能带图；

e）在有压缩应变的正向偏压条件下，ZnONWs的能带图；

图3 WO₃ ECD的性能

a）WO₃ 薄片的循环伏安曲线。在20、50和100mV s^-1不同的扫描速率以及1摩硫酸溶液中，电压在-0.5-0.8V的循环；

b）在-2V和+2V偏置电压下，ECD着色和去着色过程的紫外可见光谱图；

c）在632.8nm波长下测量的色彩转换行为，插图是单个转换周期的放大图；

d）在超过300次循环后装置的循环稳定性；

e）在632.8nm波长下，进行光学密度及电荷密度的测试。着色效率为27.94cm² C^-1；

f）在632.8nm波长下，通过透射率进行ECD保色能力测试；

图4 PVR系统的压力可视化性能

a）设置实验测量压力可视化和记录能力；

b）无外加压力下，着色和去着色状态的10×10像素列阵的RGB图；

c）传感区的像素分布；

d）0 MPa下，有“E”图案印记的RGB图；

e）12 MPa下，有“E”图案印记的RGB图；

f）20 MPa下，有“E”图案印记的RGB图；

g）增强因子E与外加电压的关系，以及含有相应的单像素RGB图；

【小结】

本文报道了一种通过整合压电ZnO纳米线基质压力传感器（ZPS）与WO₃电致变色器件（ECD）列阵构造PVR系统的方法。通过使用PVR系统，由于WO₃材料的色彩记忆效应以及ECD良好的循环稳定性和保色能力，外加压力的分布可直接通过颜色的变化显示，且在不需要电脑的情况下，数据可直接由ECD记录。由此可知，这种系统在未来具有广阔的应用价值。

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

该文献汇总由材料人编辑部纳米学术组张虞供稿，材料牛编译整理。

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