Adv.Mater.智能材料矩阵可对压力分布进行视觉成像和记录

【引言】

电子皮肤，一种运用电子器件模拟人类皮肤的设备，压电传感器是其基本组成部分。其它基于压力敏感的设备包括生理监视器、机器人、界面控制系统、人工智能设备等等。一些压力敏感设备的电阻和电容可以随着外界压力的变化而变化。基于此，很多关于开发高灵敏度和高分辨率的压力传感器的很好的研究工作得以完成。这些研究实现了大规模的压力探测和成像。但是，几乎所有的探测系统都需要电脑实时记录来自压电传感器的信号。因此，如果电脑与系统断开联系，再向系统施加压力信号，相关信号是不会被重现的。在一些极端的例子中，压力信号不能被及时记录，这就需要系统能够保持压力信号一段时间。但是关于这的研究现在非常少，但是无电脑压力记录传感器迫切需要被实现。

【成果简介】                                   

近日，来自中科院北京纳米能源与系统所的王中林院士与潘曹峰研究员成功设计开发出了一种高质量压力成像与记录系统，实现了无外电脑压力记录，大大推动了相关领域的发展。研究成果以“Visualization Recording and Storage of Pressure Distribution through a Smart Matrix Based on the Piezotronic Effect”为题发表在Advanced  Materials上。

研究人员将氧化钨薄膜电致发光设备（ECD）阵列（10×10像素点）和氧化锌纳米线矩阵压力传感器（ZPS）集成，开发出了一种空间分辨率达到500µm的压力成像与记录系统（PVR）。外界施加的压力通过ZPS的压电电子效应被记录，然后直接被ECD的颜色变化表达出来。当对系统施加一个局部压力，其可以让氧化锌纳米线的两端产生压电极化电荷从而导致体系中电流的运输，最后通过氧化钨薄膜的颜色变化被表现出来。ECD的显色和退色表现出很好的循环稳定性，在经过300次循环后，其仍能保持超过85%的颜色对比。在PVR系统中，由于氧化钨的颜色记忆效应，施加在体系上的压力在不需要外电脑的帮助就能被记录。

研究人员开发的这种系统在人机交互界面、军事、智能机器人等领域有巨大的应用前景，大大加速了相关领域的发展。

【图文导读】

图1  PVR体系的结构和制备过程

（a）PVR系统的结构示意图。

（b）PVR系统的制备过程示意图。

（c）在旋涂一层SU-8光刻胶前，制备的氧化锌纳米线矩阵的SEM形貌图。比例尺为200µm。

（d）在旋涂一层SU-8光刻胶前，制备的氧化锌纳米线矩阵的SEM形貌放大图。比例尺为5µm。

（e）在旋涂一层SU-8光刻胶后，制备的氧化锌纳米线矩阵的SEM形貌放大图。比例尺为5µm。

（f）制备的中间金电极层和氧化钨薄膜阵列的SEM形貌图。比例尺为200µm。

（g）沉积了ITO电极的氧化钨薄膜。比例尺为20µm

（h）沉积了ITO电极的氧化钨薄膜的放大图。比例尺为200nm。

图2  压力传感的压电电子效应和工作机理

（a）氧化锌纳米线像素施加不同压力条件下电流与电压特征曲线。

（b）氧化锌纳米线像素施加不同压力条件下电流与时间的特征曲线，用来说明其稳定性而且灵敏度在+1V。

（c）氧化锌纳米线在无应变无外电压条件下的能带图。

（d）氧化锌纳米线在无应变正向偏压条件下的能带图。

（e）氧化锌纳米线在压缩应变正向偏压条件下的能带图。

图3  WO₃ ECD性能

（a）氧化钨薄膜的循环伏安图，其在1 m H₂SO₄中，循环电压最大值为0.8V，最低值为-0.5V，扫描速率分别为20、50、100 mV s⁻¹。

（b）在−2 V 和 +2 V偏压下，显色和退色的ECD紫外-可见光谱图。

（c）632.8 nm下测得的颜色转变行为。插图是一个转变周期的放大图。

（d）超过300次的循环转变图。

（e）632.8 nm下，测试得到的光密度与载流子密度曲线图。斜率值测量得到为27.94 cm² C⁻¹。

（f）颜色保留性能测试，通过测量632.8 nm下光的透过率得到。

图4  集成的PVR系统压力成像性能

（a）测量压力成像和记录能力的实验装置。

（b）无外压力条件下，10×10像素阵列在显色和退色条件下RGB地图。

（c）传感区域的像素分布。

（e）压力为0MPa条件下，具有E型图案的RGB地图。

（f）压力为72.12MPa条件下，具有E型图案的RGB地图。

（g）压力为120.20MPa条件下，具有E型图案的RGB地图。

（h）增强因子与施加压力的曲线，和其对应的单像素的RGB图像。

【小结】

研究人员将压电电子的ZPS和氧化钨薄膜ECD阵列（10×10像素点）集成从而制备出了PVR系统。ECD阵列中每个像素都与ZPS组件中特定的一束氧化锌纳米线对应连接。氧化钨ECD表现出很好的循环稳定性，300次循环后仍保持着超过85%的颜色对比度。通过该系统，不需要电脑帮助，外压力可以通过颜色改变视觉化成像，而且记录在ECD区域中，这都得利于氧化钨材料的颜色记忆能力。这种系统在人机交互界面、军事、智能机器人等领域有巨大的应用前景。

【文献信息】

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）

本文由材料人电子电工学术组一棵松供稿，材料牛整理编辑。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。如果你对电子材料感兴趣，愿意与电子电工领域人才交流，请加入材料人电子电工材料学习小组（QQ群：482842474）。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。