CN112129434A - 一种采用二维材料异质结构检测压力大小及位置的电子皮肤设计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用二维材料异质结构检测压力大小及位置的电子皮肤设计，本发明利用压力或拉伸力改变介质层厚度进而影响到层间电容和量子电容的特性，利用电容的变化改变谐振频率，进而表征传感器收到的拉伸力和压力的大小。这种通过调整谐振频率的方法可以高灵敏度的检测压力，并避免传感器阵列之间的串扰。此外，因为传感器是垂直异质结构，所以便于传感器阵列采用交叉结构读出。

Description

一种采用二维材料异质结构检测压力大小及位置的电子皮肤 设计
技术领域
本发明属于电子皮肤技术领域，更具体地，是一种采用二维材料异质结构的振荡频率在力的作用下改变从而实现电子皮肤的设计方法。
背景技术
随着科学技术的发展，人们对智能设备的应用场景有了更多的想象和更大的期待，电子皮肤，特别是触觉传感器阵列是新一代智能设备“感觉”***的关键元器件之一，是智能设备感知外部环境的重要媒介，其发展对智能设备具有相当重要的意义。
发明内容
本发明针对电子皮肤中传感器阵列对于触觉压力测量时串扰大、灵敏度低等问题，体处理一种采用二维材料异质结构检测压力大小及位置的设计方法。传感器包括上电极层1、上压敏介质层2、上测试层3、中心介质层4、下测试层5、下压敏介质层6、下电极层7，如附图1所示；传感器阵列按照需要布局在电子皮肤上，读出时采用交叉连线分别连接上、下测试层，分时检测，如附图2所示。
如图1所示，所述压力传感器本质为层叠的二维材料，其中，上电极层1和下电极层7可为金属、导电织物、少层或单层石墨烯等薄膜状导电材料；上压敏介质层2和下压敏介质层6为多层绝缘的二维材料，如六方氮化硼等。在压力下，该材料厚度发生变化，从而改变1与3、7与5之间的距离，进而改变该层叠器件的固有频率；上测试层3和下测试层5为二维材料导电层，如单层或少层石墨烯；中心介质层4为单层或少层绝缘二维材料，如六方氮化硼。
器件工作时，在上测试层3加电压VD和下测试层5加电压VS，在上电极层1加电压VG，下电极层7加电压-VG，在层3和层5之间，通过中心层4产生隧穿电流。该隧穿电流IDS可以表示为：
Figure 511942DEST_PATH_IMAGE001
(1a)
Figure 242001DEST_PATH_IMAGE002
(1b)
Figure 582984DEST_PATH_IMAGE003
(1c)
Figure 999184DEST_PATH_IMAGE004
(1d)
其中，ћ是归一化普朗克常数，kB 是玻尔兹曼常数，T是开氏温度，L是正方形器件的边长，A是器件的面积，所以A=L2，k是衰减常数，tt是中心介质层厚度，m是自由电子质量。D是电极层3和5的归一化Z分量波函数，U11和U12是为了保持单位一致性的换算系数.k(T)是温度相关系数，q是电荷电量，vF是费米速度。此外，特别需要说明的是，Ct和Cg是层状异质结构之间的电容，其大小与压敏层4和6收到的压力密切相关。
利用层3和层5之间的隧穿电流，该异质结构器件可在图2a所示的电路中，形成振荡在一定频率f osc的负阻振荡器，可用下式表示：
Figure 425617DEST_PATH_IMAGE005
(2)
其中，Lex和Cex是测试电路中给定的电感和电容，Ct’是图a中Cg Ct和Cq形成的等效电容，图2a中Cq是层状异质结构中，上测试层3和下测试层5中的量子电容。Ct’由下式确定：
Figure 880738DEST_PATH_IMAGE006
(3)
注意到影响Ct’的变量中，Cq是层3和层5的量子电容，由VD，VS和Vg以及层2和层6的厚度决定，Ct是层3和层5之间的隧穿电容，由层3,4,5确定。这样，由于层3,4,5为单层或少层二维材料，其厚度可认为不随压力变化，而层2和层6为多层材料，因此其随压力改变的厚度对于Ct’的改变有决定性的影响，从而，由不同压力下的Ct’形成了不同的f osc。对于特定的器件，通过检测其在不收压力和受拉力，拉伸力下的f osc，可表征其受压力和拉伸力的程度。
图1所示的传感器可通过图3形式形成传感器阵列，并通过图3中的开关，进行行扫描和列扫描，通过读出电路接口分别读出每一个传感器的感知量。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，其中：
图1为本发明提供的电子皮肤压力传感器结构示意图；
图2为本发明提供的电子皮肤压力传感器在加电时的工作等效电路图，其中图2a所示为层1至7以及加电时各部分等效参数；图2b为图2a的等效负阻振荡器电路图；
图3为本发明提供的传感器在构成电子皮肤时形成的阵列结构和行扫列扫模式。图中红色的点即代表图1中的层状传感器结构，通过开关组分别选通特定的某行某列，进而可通过读出接口读出器件形成的振荡频率。

Claims (7)

1.一种采用二维材料异质结构检测压力大小及位置的电子皮肤设计，包括包括上电极层1、上压敏介质层2、上测试层3、中心介质层4、下测试层5、下压敏介质层6、下电极层7，如附图1所示；传感器阵列按照需要布局在电子皮肤上，读出时采用交叉连线分别连接上、下测试层，分时检测。
2.根据权利要求1，上电极层1和下电极层7需要良好导电，可以是金属、导电织物、石墨烯等导电二维材料。
3.根据权利要求1，上压敏介质层2和下压敏介质层6为体形材料或结构，其厚度随压力或拉伸力变化。
4.根据权利要求1，上测试层3和下测试层5为导电二维材料，例如单层或少层石墨烯。
5.根据权利要求1，中心介质层为单层或少层绝缘二维材料，例如六方氮化硼。
6.根据权利要求1，这种二维材料异质结构具有谐振隧穿特性，在压力或拉伸力作用下，上压敏介质层2和下压敏介质层6发生形变，其厚度变化，影响到层2与层3，层5和层6之间的电容，以及层3和层5自身的量子电容，进而器件的振荡频率发生变化。
7.传感器形成阵列排布，读出电路与上测试层和下测试层连接，形成垂直交叉结构。
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