基于AlN薄膜的柔性可穿戴压电触觉传感器
2023-07-03 08:47:37 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发了一种小型化的柔性压电器件，以增加可集成传感器的数量，用于以最小的串扰检测和区分单位面积的局部压力和接触。为此，实现了一系列不同直径（5 ~ 500 μm）的氮化铝（AlN）压电传感器，并通过差分电压放大器电路对传感器变形产生的电信号进行放大。
压电微机电系统（MEMS）可以满足人们对小尺寸、低功耗传感器日益增长的需求。对于触觉应用和压力测量，它们被应用于从机器人到医疗保健的各个领域。在这种情况下，柔性器件因其高响应度和表面适应能力而显得非常重要。
据麦姆斯咨询报道，近期，意大利技术研究所（Istituto Italiano di Tecnologia）的研究人员开发了一种小型化的柔性压电器件，以增加可集成传感器的数量，用于以最小的串扰检测和区分单位面积的局部压力和接触。为此，实现了一系列不同直径（5 ~ 500 μm）的氮化铝（AlN）压电传感器，并通过差分电压放大器电路对传感器变形产生的电信号进行放大。通过分析随施加压力变化的压电信号的形状，观察到由于压电变形引起的振荡叠加在与触摸事件对应的初始峰值信号上。通过计算电信号的积分，可以准确地描述传感器的响应。在直径为200 μm和500 μm的样品中获得了最佳的响应度。此外，研究人员还发现，在低于-20 dB串扰时，传感器边缘之间的最小距离约为500 μm。相关研究成果以“Fabrication, Characterization, and Signal Processing Optimization of Flexible and Wearable Piezoelectric Tactile”为题发表于IEEE Sensors Journal期刊。
所开发的压电传感器采用了一种基于AlN薄膜的夹层结构，该薄膜嵌入在PI柔性衬底上生长的两层钼（Mo）之间。在压电材料中，尽管AlN的压电系数适中，但由于其良好的机械性能和相对较低的介电常数，AlN被选择用于制造紧凑高效的压电MEMS传感器。此外，AlN是一种环保无毒的陶瓷材料。AlN表现出很高的耐温性和耐湿性，可以直接沉积在柔软的衬底上，使其有利于其在柔性可穿戴电子设备中实施。
PI 2555衬底上AlN夹层/Mo/AlN压电叠层的制造设计
采用反应溅射紫外（UV）光刻和干法蚀刻在PI衬底上制备了以Mo/AlN/Mo薄膜异质结构为特征的柔性压电样品。溅射堆叠的特征在于单次沉积的AlN夹层（120 nm）和底部Mo电极（200 nm）、压电AlN（1.5 μm）层和顶部Mo电极（200 nm）。研究人员制备了一系列不同尺寸的压电传感器，其直径从5 μm到500 μm不等。
一系列不同直径的压电传感器
通过测量每个传感器在释放过程前后的电容和阻抗来评估所制造的传感器的电学性能。研究人员观察到直径范围从20到500 μm的传感器表现出与预期相符的电学行为。在固定压力下，所产生的电信号与每个样品的直径呈线性关系。通过分析输出电信号的形状随施加压力的变化规律，利用传感器输出的数值积分获得了标定曲线。对于有源区直径为200 μm和500 μm的传感器，响应度值分别为0.001 Vs/kPa和0.015 Vs/kPa，动态范围的值分别为314 kPa和36.5 kPa。这些传感器的有源区小于0.2 mm²，提高了器件小型化方面的现有水平。在串扰分析中，研究人员发现具有-20 dB串扰传感器之间的最小距离约为0.5 mm，表明这是触觉应用的安全距离。
释放过程前后的电学特性
串扰分析
总而言之，在这项工作中，实现了应用于触觉感知的柔性、可穿戴、高灵敏度的压电式压力传感器。它能够通过自定义实现的调节系统来监测细微的抓取运动。在对所选压电材料（AlN）的形态和结构特性进行表征后，实现了一系列直径在5 ~ 500 μm之间的柔性压电传感器，并且确定了能够保持压电器件功能的最小传感器尺寸（约20μm）。通过这些传感器的电学特性，观察到直径范围从20到500 μm的传感器表现出与预期相符的电学行为。根据串扰分析发现，具有-20 dB串扰的传感器之间的最小距离约为0.5 mm。此外，在这项工作中介绍的AlN压电薄膜的信号处理基于校准阶段的数值积分，并允许增加小型化压力传感器的动态范围，这在以前尚未得到利用。在响应性和动态范围方面的改进，表明可以利用这种集成方法直接校准压电传感器，并监测在抓取和操纵活动中涉及的细微运动中的电信号。
论文信息：https://ieeexplore.ieee.org/document/10102425
延伸阅读：
《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》
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