一種基于AlN薄膜的的柔性可穿戴壓電觸覺傳感器開發(fā)

壓電微機電系統(tǒng)（MEMS）可以滿足人們對小尺寸、低功耗傳感器日益增長的需求。對于觸覺應用和壓力測量，它們被應用于從機器人到醫(yī)療保健的各個領域。在這種情況下，柔性器件因其高響應度和表面適應能力而顯得非常重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，意大利技術研究所（Istituto Italiano di Tecnologia）的研究人員開發(fā)了一種小型化的柔性壓電器件，以增加可集成傳感器的數(shù)量，用于以最小的串擾檢測和區(qū)分單位面積的局部壓力和接觸。為此，實現(xiàn)了一系列不同直徑（5 ~ 500 μm）的氮化鋁（AlN）壓電傳感器，并通過差分電壓放大器電路對傳感器變形產(chǎn)生的電信號進行放大。通過分析隨施加壓力變化的壓電信號的形狀，觀察到由于壓電變形引起的振蕩疊加在與觸摸事件對應的初始峰值信號上。通過計算電信號的積分，可以準確地描述傳感器的響應。在直徑為200 μm和500 μm的樣品中獲得了最佳的響應度。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，在低于-20 dB串擾時，傳感器邊緣之間的最小距離約為500 μm。相關研究成果以“Fabrication, Characterization, and Signal Processing Optimization of Flexible and Wearable Piezoelectric Tactile”為題發(fā)表于IEEE Sensors Journal期刊。

所開發(fā)的壓電傳感器采用了一種基于AlN薄膜的夾層結構，該薄膜嵌入在PI柔性襯底上生長的兩層鉬（Mo）之間。在壓電材料中，盡管AlN的壓電系數(shù)適中，但由于其良好的機械性能和相對較低的介電常數(shù)，AlN被選擇用于制造緊湊高效的壓電MEMS傳感器。此外，AlN是一種環(huán)保無毒的陶瓷材料。AlN表現(xiàn)出很高的耐溫性和耐濕性，可以直接沉積在柔軟的襯底上，使其有利于其在柔性可穿戴電子設備中實施。

PI 2555襯底上AlN夾層/Mo/AlN壓電疊層的制造設計

采用反應濺射紫外（UV）光刻和干法蝕刻在PI襯底上制備了以Mo/AlN/Mo薄膜異質結構為特征的柔性壓電樣品。濺射堆疊的特征在于單次沉積的AlN夾層（120 nm）和底部Mo電極（200 nm）、壓電AlN（1.5 μm）層和頂部Mo電極（200 nm）。研究人員制備了一系列不同尺寸的壓電傳感器，其直徑從5 μm到500 μm不等。

一系列不同直徑的壓電傳感器

通過測量每個傳感器在釋放過程前后的電容和阻抗來評估所制造的傳感器的電學性能。研究人員觀察到直徑范圍從20到500 μm的傳感器表現(xiàn)出與預期相符的電學行為。在固定壓力下，所產(chǎn)生的電信號與每個樣品的直徑呈線性關系。通過分析輸出電信號的形狀隨施加壓力的變化規(guī)律，利用傳感器輸出的數(shù)值積分獲得了標定曲線。對于有源區(qū)直徑為200 μm和500 μm的傳感器，響應度值分別為0.001 Vs/kPa和0.015 Vs/kPa，動態(tài)范圍的值分別為314 kPa和36.5 kPa。這些傳感器的有源區(qū)小于0.2 mm2，提高了器件小型化方面的現(xiàn)有水平。在串擾分析中，研究人員發(fā)現(xiàn)具有-20 dB串擾傳感器之間的最小距離約為0.5 mm，表明這是觸覺應用的安全距離。

釋放過程前后的電學特性

串擾分析

總而言之，在這項工作中，實現(xiàn)了應用于觸覺感知的柔性、可穿戴、高靈敏度的壓電式壓力傳感器。它能夠通過自定義實現(xiàn)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)來監(jiān)測細微的抓取運動。在對所選壓電材料（AlN）的形態(tài)和結構特性進行表征后，實現(xiàn)了一系列直徑在5 ~ 500 μm之間的柔性壓電傳感器，并且確定了能夠保持壓電器件功能的最小傳感器尺寸（約20μm）。通過這些傳感器的電學特性，觀察到直徑范圍從20到500 μm的傳感器表現(xiàn)出與預期相符的電學行為。根據(jù)串擾分析發(fā)現(xiàn)，具有-20 dB串擾的傳感器之間的最小距離約為0.5 mm。此外，在這項工作中介紹的AlN壓電薄膜的信號處理基于校準階段的數(shù)值積分，并允許增加小型化壓力傳感器的動態(tài)范圍，這在以前尚未得到利用。在響應性和動態(tài)范圍方面的改進，表明可以利用這種集成方法直接校準壓電傳感器，并監(jiān)測在抓取和操縱活動中涉及的細微運動中的電信號。

審核編輯：劉清