一種結合摩擦發電機與阻變存儲器的觸摸傳感記憶器件的製作方法

2023-04-27 01:53:42

本發明涉及傳感器技術領域，特別是指一種結合摩擦發電機與阻變存儲器的觸摸傳感記憶器件。

背景技術：

取法自然一直是科研領域的一個研究熱點，電子皮膚的研究也受到了世界各大課題組的廣泛關注。各種各樣的傳感器就是電子皮膚領域的一個研究重點，希望能實現傳感器高靈敏度、響應快速、低成本、低功耗、可組裝的目標。例如，引入單電極的摩擦發電機作為觸摸傳感器，成功實現了高響應自驅動的觸摸傳感，同時還能組裝成陣列器件實現對移動速度、加速度的探測。然而，對於一個完整的傳感系統而言，包括信號傳感單元與信號記錄單元。就好像人腦對觸摸的記憶一樣，人對物體的觸碰發生後，皮膚將外界刺激信號轉換，然後傳輸給大腦，由大腦對刺激信號進行記憶、保存，包括物體的形狀、溫度等。所以，現有傳感器的信號易失性限制了它們更進一步的發展。現有的解決方案是將信號傳感單元與存儲設備相連，以此對信號進行傳感、處理、記錄。然而這些方案都存在著功耗大，存儲要求高，讀取複雜，連接器件多等缺點，因此需要一種新型的解決方案來完美地處理這些問題。

阻變存儲器是一種兩端器件，阻變材料層置於底、頂電極之間構成金屬(M)-絕緣層(I)-金屬(M)的三明治結構。這種結構可以最大限度控制每個單元的尺寸，提高集成密度，同時這種兩端器件與其他器件有很好的兼容性，非常便於集成。阻變存儲器中間的阻變層可以在電場的刺激下，在高阻態和低阻態之間切換。其非易失特性表現在，阻變層的阻態不會隨撤除電壓或者施加小於閾值的電壓而改變。一般來說，電阻狀態切換的現象是通過金屬陽離子(如銀)和氧離子的遷移實現的，其中氧化物阻變層的電阻切換，一般是由氧離子的遷移而導致導電細絲的形成和斷裂引起的。更重要的是，阻變存儲器，也有稱作憶阻器，能很好的模仿神經元的可塑性，因此非常適合在傳感系統中承擔人工大腦的作用，對傳感信號進行記憶。

摩擦發電機通過對摩擦產生的響應電信號進行探測，以此來實現對摩擦行為的探測，達到觸摸信號傳感的功能。摩擦型的傳感器不僅僅器件本身具有自驅動傳感、相應快的特性，而且因其產生的電壓信號大，完全能作為一種電源來給信號存儲單元功能，以此達到整個傳感系統的自驅動。然而因摩擦信號本身存在正負方向信號協同出現的特點，會存在正向電壓寫入，負向電壓立馬擦除的缺點，這將很大程度上限制其應用。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種結合摩擦發電機與阻變存儲器的觸摸傳感記憶器件，將阻變存儲器與單電極摩擦發電機結合，利用摩擦型傳感器傳感與電源的雙重功能，將觸摸信號寫入阻變存儲器。而阻變存儲器負責將觸摸信號記錄下來，同時自動排除摩擦產生的負向電壓的影響。構建的傳感系統具有自驅動、非易失性的特點，在電子產品、環境監測以及醫療設備製造等領域具有巨大的應用潛力。

該觸摸傳感記憶器件包括阻變存儲器基底、阻變存儲器底電極、阻變存儲器阻變層、阻變存儲器頂電極、摩擦發電機摩擦層、摩擦發電機底電極和導線；阻變存儲器底電極覆蓋在阻變存儲器基底上，阻變存儲器阻變層覆蓋在阻變存儲器底電極上，阻變存儲器頂電極設置在阻變存儲器阻變層上，摩擦發電機底電極與阻變存儲器頂電極相對應，摩擦發電機底電極與阻變存儲器頂電極通過導線一一連接，摩擦發電機底電極覆蓋在摩擦發電機摩擦層上。

其中，阻變存儲器基底表面平整光滑，材料為石英玻璃或絕緣矽。

阻變存儲器底電極為沉積導電薄膜，材料為摻鋁氧化鋅導電薄膜或氧化銦錫導電薄膜，阻變存儲器底電極厚度為1μm。

阻變存儲器阻變層為沉積介電氧化物薄膜，材料為氧化鋅、氧化鉭、氧化鉿、氧化鋯中的一種，阻變存儲器阻變層厚度為100nm。

阻變存儲器頂電極材料為Au、Pt、Al中的一種，阻變存儲器頂電極厚度為100nm，阻變存儲器頂電極以陣列形式排列在阻變存儲器阻變層上，阻變存儲器頂電極尺寸在1mm×1mm到1μm×1μm之間。

摩擦發電機底電極材料為Al、Au、Pt中的一種，摩擦發電機底電極厚度為100nm，摩擦發電機底電極尺寸小於摩擦發電機摩擦層尺寸，且摩擦發電機底電極以陣列形式排列在摩擦發電機摩擦層下，摩擦發電機底電極尺寸為1cm×1cm到10cm×10cm。

摩擦發電機摩擦層材料為PTFE、PDMS、FEP中的一種，摩擦發電機摩擦層厚度在10μm到500μm之間。

導線為金屬線，材料為Fe、Cu、Al中的一種。

本發明的上述技術方案的有益效果如下：

上述方案中，將單電極摩擦發電機與阻變存儲器集成，構建一個完整的傳感系統，實現對觸摸信號的傳感與記憶，而且成本低廉、功耗低、功能完成、相應快速，該器件可以實現信號記錄時的完全自驅動，不需要外加電源，信號不會因摩擦的交變電壓而改變，是一種自驅動的非易失性集成器件，在信息安全、監測、仿生學、人工智慧、電子皮膚等方向有非常大的應用前景。

附圖說明

圖1為本發明的結合摩擦發電機與阻變存儲器的觸摸傳感記憶器件結構示意圖；

圖2為本發明實施例1集成器件中阻變存儲器的電流電壓曲線；

圖3為本發明實施例1集成器件的觸摸電流響應。

其中：1-阻變存儲器基底、2-阻變存儲器底電極、3-阻變存儲器阻變層、4-阻變存儲器頂電極、5-導線、6-摩擦發電機底電極、7-摩擦發電機摩擦層。

具體實施方式

為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。

本發明提供一種結合摩擦發電機與阻變存儲器的觸摸傳感記憶器件，如圖1所示，該器件中阻變存儲器底電極2覆蓋在阻變存儲器基底1上，阻變存儲器阻變層3覆蓋在阻變存儲器底電極2上，阻變存儲器頂電極4設置在阻變存儲器阻變層3上，摩擦發電機底電極6與阻變存儲器頂電極4相對應，摩擦發電機底電極6與阻變存儲器頂電極4通過導線5一一連接，摩擦發電機底電極6覆蓋在摩擦發電機摩擦層7上。

下面結合具體實施例予以說明。

實施例1：

(1)在清洗好的阻變存儲器底電極2，即摻鋁氧化鋅導電玻璃(1.0cm×1.5cm)上磁控濺射100nm厚的五氧化二鉭薄膜，即阻變存儲器阻變層3。

(2)使用金屬掩模版在五氧化二鉭薄膜(阻變存儲器阻變層3)表面直流濺射沉積100nm厚1mm×1mm的金電極陣列(阻變存儲器頂電極4)。

(3)在清洗好的PTFE薄膜(摩擦發電機摩擦層7)表面，沉積100nm厚的1cm×1cm的鋁電極陣列(摩擦發電機底電極6)。

(4)使用導線5將金電極(阻變存儲器頂電極4)和鋁電極(摩擦發電機底電極6)一一對應連接。

製備好的器件的電流電壓曲線如圖2所示，觸摸電流響應情況如圖3所示。

實施例2：

其他步驟如實施例1，只將步驟(2)改為：在清洗好的摻鋁氧化鋅導電玻璃(1.0cm×1.5cm)上磁控濺射100nm厚的氧化鋅薄膜。

實施例3：

其他步驟如實施例1，只將步驟(2)改為：在清洗好的摻鋁氧化鋅導電玻璃(1.0cm×1.5cm)上磁控濺射100nm厚的氧化哈薄膜。

以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。