前言：尋找寫(xiě)作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的柔性應(yīng)力傳感器綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來(lái)靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘要:將前沿科研成果轉(zhuǎn)化為本科開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了一種柔性應(yīng)力傳感器綜合性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)采用化學(xué)氣相沉積法合成氧化鋅(ZnO)微米線，并制備了基于單根微米線的壓電應(yīng)力傳感器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，器件具有很好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，在2.17%的張應(yīng)力下器件的敏感度計(jì)算為1149.63。實(shí)踐表明，該綜合性實(shí)驗(yàn)融合了材料生長(zhǎng)、材料表征、器件制備與器件性能表征等多方面知識(shí)，不僅激發(fā)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也能夠培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手操作能力和創(chuàng)新思維能力。

關(guān)鍵詞:綜合性實(shí)驗(yàn);應(yīng)力傳感器;靈敏度;創(chuàng)新思維能力

電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展學(xué)科之一，是現(xiàn)代電子科學(xué)的心臟和基礎(chǔ)。本學(xué)科的發(fā)展對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步以及國(guó)防建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義［1］。大連理工大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱(chēng):我校)電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課是一個(gè)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合非常緊密的課程，它在本專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)中占有及其重要的地位，它是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神、分析和解決科學(xué)實(shí)踐問(wèn)題能力的重要環(huán)節(jié)。將最前沿的科技成果引入本專(zhuān)業(yè)本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開(kāi)出高水平的、適合學(xué)生動(dòng)手操作的綜合研究型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)，將書(shū)本理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，能夠加深學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生良好的創(chuàng)新思維習(xí)慣，提高他們的分析與解決問(wèn)題的能力［2－3］。近年來(lái)，柔性可穿戴應(yīng)力傳感器件得到迅速發(fā)展，并且在智能電子、機(jī)器人、臨床診斷、健康監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)保健、環(huán)境監(jiān)控以及太空與航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景［4］。作為新一代寬禁帶半導(dǎo)體，ZnO是一種具有優(yōu)越的壓電特性的多功能材料，在壓電電子學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)占據(jù)重要一席［5－6］。尤其是ZnO壓電應(yīng)變傳感器作為新型的電子器件近些年受到人們的廣泛關(guān)注［7－8］。如果能夠?qū)⑦@項(xiàng)科研成果轉(zhuǎn)化為本專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，能大大促進(jìn)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。為此，設(shè)計(jì)了“柔性壓電應(yīng)力傳感器”綜合研究型實(shí)驗(yàn)，篩選出部分難度適宜、重現(xiàn)性較好的科研成果中部分內(nèi)容作為開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并融合了微/納米材料生長(zhǎng)、材料表征、器件制備與器件性能表征等多方面知識(shí)，能夠讓學(xué)生對(duì)所學(xué)到的理論和實(shí)踐知識(shí)構(gòu)建一個(gè)知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力、動(dòng)手操作能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力。

1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1．1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

ZnO粉末和碳粉的混合粉末(摩爾比為1∶1);聚四氟乙烯(PTFE)襯底(尺寸為:30×10×1mm3);金線(尺寸為?0．038mm×25mm);導(dǎo)電銀漿;環(huán)氧樹(shù)脂(EPR);石英管(?30mm×30cm);柔性PTFE襯底依次用丙酮、乙醇分別超聲清洗10分鐘，然后用去離子水反復(fù)沖洗，并用氮?dú)獯蹈珊蟠谩?/p>

1．2一維ZnO微米線制備方案

采用了化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法制備一維ZnO微米線。圖1給出本實(shí)驗(yàn)所采用的CVD的示意圖，包括恒溫管式爐、溫控設(shè)備、氣路系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)和小石英管反應(yīng)室等部分組成。首先，將研磨好的反應(yīng)源ZnO粉末和碳粉的混合粉末，放入到小石英管的指定位置，然后把小石英管送入到管式爐的管腔中。接著，給系統(tǒng)通入氮?dú)獠⑸郎丶訜幔?dāng)反應(yīng)源溫度升到950℃時(shí)通氧氣，氧氣和氮?dú)獾目偭髁繛?0SCCM(氮?dú)?20SCCM;氧氣:40SCCM)。當(dāng)溫度升到并穩(wěn)定在950℃時(shí)，生長(zhǎng)40分鐘，此時(shí)襯底溫度為950℃，保持氣體流量不變冷卻至室溫取出。這時(shí)，小石英管下游的管壁上會(huì)有許多線型白色物質(zhì)出現(xiàn)，經(jīng)表征后得知這就是ZnO微米線。

1．3柔性應(yīng)力傳感器制備方案

將生長(zhǎng)好的單根ZnO微米線轉(zhuǎn)移到PTFE襯底中央，并在ZnO微米線兩端點(diǎn)上銀漿，然后在兩端分別把準(zhǔn)備好的金線連接到ZnO微米線的兩端固定;把樣品放到烘箱中加熱到95℃并保持15分鐘，銀漿固化后，利用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)器件進(jìn)行封裝。這部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求學(xué)生了解化學(xué)氣相沉積設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，并且熟練掌握化學(xué)氣相沉積法制備一維ZnO微/納米結(jié)構(gòu)的工藝流程。引導(dǎo)學(xué)生分析生長(zhǎng)條件對(duì)得到的微米線的影響作用，讓學(xué)生加深對(duì)微納米線生長(zhǎng)原理的理解。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2．1一維ZnO微米線的形貌與結(jié)構(gòu)表征分析

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)了所有制備樣品的微觀形貌，如圖2所示，可以看出微米線具有完美的六角晶體結(jié)構(gòu)，表面比較光滑平整，ZnO微米線的直徑為10μm，長(zhǎng)度約為2～4mm。通過(guò)該部分實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用掃描電子顯微鏡對(duì)制備的樣品表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與分析。

2．2I－V測(cè)試與受力分析

為了讓器件受到一個(gè)均勻力，設(shè)計(jì)了如圖3(a)所示測(cè)試系統(tǒng)，在器件和基臺(tái)之間有一個(gè)長(zhǎng)15mm、厚0．5mm的墊片，傳感器件的一端和這個(gè)墊片一同固定在基臺(tái)上，將器件的引線連接到I－V測(cè)試裝置中，在傳感器的自由端對(duì)其施加一個(gè)向下的壓力，由于PTFE襯底為柔性襯底，當(dāng)受到外力時(shí)有較大的形變響應(yīng)并帶動(dòng)ZnO微米線的彎曲，從而產(chǎn)生電學(xué)信號(hào)的改變，這就是測(cè)試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。在這里，實(shí)驗(yàn)裝置搭建方案的不同，器件受到應(yīng)變大小也不一樣。因此，教師需要引導(dǎo)學(xué)生自行思考并搭建實(shí)驗(yàn)裝置，并且讓學(xué)生分別研究其器件在受力情況下的應(yīng)變大小。圖3(b)是該器件受到張壓力時(shí)的示意圖，在這里，在對(duì)襯底施加外力的情況下，環(huán)氧樹(shù)脂(EPR)封裝層和電極對(duì)整個(gè)器件的力學(xué)特性的影響可以忽略不計(jì)，只考慮襯底的受力情況。

2．3應(yīng)力傳感的特性分析

結(jié)合前面制備的ZnO壓電應(yīng)力傳感器，我們采用半導(dǎo)體綜合測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量器件在1．5V的偏壓下的電流－時(shí)間變化曲線，如圖4所示。當(dāng)器件未受力時(shí)，電流值維持在20．4nA左右。對(duì)器件施加頻率～0．1Hz的張應(yīng)力后，電流迅速上升，最大值約為529．32nA;當(dāng)釋放外力時(shí)，電流迅速恢復(fù)到初始位置。可見(jiàn)，該傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。對(duì)于一個(gè)傳感器件，具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性等特性是非常重要的基礎(chǔ)，然而敏感度直接決定了器件的研究與應(yīng)用價(jià)值，是較為直接和關(guān)鍵的參數(shù)。在完成以上實(shí)驗(yàn)之后，需要學(xué)生在課上完成對(duì)器件的靈敏度進(jìn)行計(jì)算過(guò)程。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指導(dǎo)教師需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)當(dāng)下研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)與分析。尤為關(guān)鍵的是，指導(dǎo)教師要知道如何啟發(fā)學(xué)生針對(duì)目前研究成果，對(duì)器件進(jìn)行新的改進(jìn)與創(chuàng)新，這是提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力的關(guān)鍵點(diǎn)。例如，通過(guò)實(shí)驗(yàn)算出的靈敏度，讓學(xué)生思考影響器件靈敏度大小的因素有哪些?可以采用哪些方案提高器件的靈敏度?等等。指導(dǎo)教師也可以讓學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)國(guó)內(nèi)外“ZnO壓電應(yīng)力傳感器”的研究現(xiàn)狀，并引導(dǎo)學(xué)生思考該類(lèi)器件目前存在的問(wèn)題有哪些?有哪些可以改進(jìn)的地方(可以從器件構(gòu)造、性能指標(biāo)、制備工藝、應(yīng)用領(lǐng)域等角度思考)?然后鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)并完成新的實(shí)驗(yàn)方案。針對(duì)較好的實(shí)驗(yàn)成果，可以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研論文或?qū)＠淖珜?xiě)。這些都為本科生進(jìn)一步參與科研項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力奠定了基礎(chǔ)。

3結(jié)語(yǔ)

針對(duì)柔性可穿戴應(yīng)力傳感技術(shù)日新月異的發(fā)展趨勢(shì)，探索了將前沿科研成果轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)課的過(guò)程。通過(guò)以一維ZnO微米線為壓電材料，制備一種基于單根微米線的壓電應(yīng)力傳感器，該綜合性實(shí)驗(yàn)包括ZnO微米線的生長(zhǎng)與表征和器件的制備與測(cè)試分析等內(nèi)容。該綜合性實(shí)驗(yàn)方案，能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的強(qiáng)烈學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，大大地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。此外，通過(guò)將科研成果引入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，也為培養(yǎng)學(xué)生的科研能力奠定了基礎(chǔ)。

作者:邱宇 趙宇 張瑩瑩 王曉娜 單位:大連理工大學(xué)