一种柔性弹性氧化物铁电薄膜传感器

本申请涉及铁电氧化物薄膜传感器领域，具体涉及一种柔性弹性铁电氧化物薄膜传感器。

背景技术：

1、近年来，超薄电极、传感器、无线电源、电子元件和通信系统组成的超薄、柔性、可穿戴表皮电子系统(即电子纹身)，可望测试佩戴者的心率、血压、皮肤温度等生命健康数据。作为有重要且广泛应用的功能材料之一，铁电和压电材料在柔性电子器件和可穿戴电子设备也有着非常重要的应用前景。

2、pzt、pmn-pt、batio3等氧化物铁电材料具有优异的压电、介电和多铁性能，已经在电子工业和高端制造业中获得了广泛的应用，包括医用b超探头、船舶声纳、温度传感器、压电传感器、红外探测器、加速度传感器。这些钙钛矿氧化物铁电材料的诸多应用通常基于其陶瓷或单晶形态，样品坚硬不可弯曲。柔性电子器件和可穿戴设备的蓬勃发展需要当前的氧化物铁电薄膜和器件能够柔性弯曲和弹性可延展。

3、当pzt等铁电薄膜的基片被剥离或者减薄到微纳米尺度，铁电膜不但具有优越的抗弯曲性能，还可能具有类似单晶和陶瓷的压电性能。通过剥离srtio3等硬质基片获得无基片自支撑的铁电薄膜、或者在超薄柔性基片上制备铁电薄膜，可以消除或者有效抑制硬质基片对铁电薄膜应变的钳制效应，让铁电薄膜的压电效应与其单晶或者陶瓷一致，提高压电传感器灵敏性，也可以通过面内收缩和弯曲放大面外压电效应，从而提高微机电系统的综合性能[di lu et al.,synthesis of freestanding single-crystal perovskitefilms and heterostructures by etching of sacrificial water-solublelayers.nature materials 15,1255,2016]。

4、然而，在si和srtio3等硬质基片上生长氧化物铁电薄膜，并通过剥离和转移方式获得柔性氧化物薄膜的工艺难度系数大，目前只能在实验室中研制毫米级别尺度的柔性氧化物薄膜。如何制备8至12英寸的大面积的柔性弹性氧化物薄膜，规模化生产柔性弹性传感器阵列，仍然是柔性电子器件从实验室走向大规模应用过程中上亟待解决的重要问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种制备柔性弹性铁电氧化物薄膜传感器的新结构。本发明可以使得电子器件具有良好延展性与柔韧性、可任意变形、可反复拉伸弯曲甚至折叠。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

2、一种柔性弹性铁电氧化物薄膜传感器，传感器具有褶皱结构，包括依次连接的金箔、绝缘薄膜、平行下电极、氧化物铁电薄膜、平行上电极。

3、较佳的，金箔厚度为50nm-500nm。

4、较佳的，绝缘薄膜选自sio2、al2o3、hfo2中的任意一种，其厚度为10-200nm，表面粗糙度小于5nm。

5、较佳的，氧化物铁电薄膜选自pzt、pmn-pt、batio3中的任意一种，其厚度为100nm-4μm，表面粗糙度小于5nm。

6、较佳的，平行下电极和平行上电极采用au电极，au电极厚度为0.05-0.5μm。

7、上述柔性弹性铁电氧化物薄膜传感器的制备方法，包括如下步骤：

8、步骤一，将金箔转移至耐700℃以上高温和表面平整的硬质基片上，通过银浆将金箔的四边粘接和固定在硬质基片上，获得硬质基片/金箔样品；

9、步骤二，将硬质基片/金箔放入真空生长腔，在金箔表面生长绝缘薄膜，获得硬质基片/金箔/绝缘薄膜样品；

10、步骤三，采用掩膜版或者光刻技术，在绝缘薄膜表面，生长金电极作为平行下电极，获得硬质基片/金箔/绝缘薄膜/平行下电极样品；

11、步骤四，在平行下电极表面，在高温和氧气环境中生长氧化物铁电薄膜，获得硬质基片/金箔/绝缘薄膜/平行下电极/氧化物铁电薄膜样品；

12、步骤五，采用掩膜版或者光刻技术，在绝缘薄膜表面，生长金电极作为平行上电极，获得硬质基片/金箔/绝缘薄膜/平行下电极/氧化物铁电薄膜/平行上电极样品；

13、步骤六，将硬质基片从上述样品中去掉，获得自支撑的传感器；

14、步骤七，将弹性体面内相互垂直的两个方向双向拉伸至最大值，将步骤六获得的自支撑的传感器转移到该双向拉伸的弹性体表面，在上述垂直的两个方向上交替释放弹性物的拉伸力后让弹性物恢复原状，每次释放拉伸力后减小的应变小于1％，弹性体应变释放后传感器在弹性物表面形成褶皱结构，形成柔性弹性铁电氧化物薄膜传感器。

15、较佳的，步骤一中，硬质基片为si、al2o3单晶、云母中的其中一种。

16、较佳的，步骤二中，绝缘薄膜的生长条件为：高真空氧压为10-6-10-5pa，优选的高温为600-800度。

17、较佳的，步骤四中，当氧化物铁电薄膜为pzt时的生长条件为：温度为600-700℃，激光能量为70-80mj，氧压为13-20pa；当氧化物铁电薄膜为pmn-pt时的生长条件为：温度为600-700℃，激光能量为70-80mj，氧压为13-20pa；当氧化物铁电薄膜为batio3时的生长条件为：温度为700-800℃，激光能量为70-80mj，氧压为3-5pa。

18、较佳的，步骤三和步骤五中，au电极的生长条件为：温度为20-25℃，激光能量为120-130mj，氧压为10-6-10-5pa。

19、与现有技术相比，本发明的优点是：

20、(1)本发明采用全无机材料制备了柔性弹性氧化物铁电薄膜传感器；现有技术在si基片上生长下电极、铁电薄膜、上电极等薄膜后制备的铁电薄膜传感器是刚性的，没有柔韧性和弹性。

21、(2)本发明采用pzt、pmn-pt氧化物薄膜等全无机材料制备了柔性弹性氧化物铁电薄膜传感器，其性能与刚性铁电薄膜传感器性能一致；现有技术在柔性弹性聚合物基片上生长pvdf等铁电薄膜并制备聚合物铁电薄膜传感器，其性能远小于刚性铁电薄膜传感器。

22、(3)本发明制备的氧化物铁电薄膜传感器可以在室温至200度范围内工作；现有技术二制备的聚合物铁电薄膜传感器不能在高温下工作。

23、(4)本发明直接在大面积的金箔上制备3-12英寸的传感器阵列，该工艺满足大规模和低成本工业化制备大批量传感器的需求。现有技术在si和srtio3基片上生长氧化物薄膜，通过剥离和转移氧化物铁电薄膜的方式制备了毫米级尺度的柔性电极/铁电薄膜/电极结构单元，该单元没有弹性，该技术也不能用于大批量制备传感器阵列。

技术特征：

1.一种柔性弹性铁电氧化物薄膜传感器，其特征在于，该传感器具有褶皱结构，包括依次连接的金箔、绝缘薄膜、平行下电极、氧化物铁电薄膜、平行上电极。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，金箔厚度为50nm-500nm；绝缘薄膜选自sio2、al2o3、hfo2中的任意一种，其厚度为10-200nm，表面粗糙度小于5nm；氧化物铁电薄膜选自pzt、pmn-pt、batio3中的任意一种，其厚度为100nm-4μm，表面粗糙度小于5nm；平行下电极和平行上电极采用au电极，au电极厚度为0.05-0.5μm。

3.如权利要求1或2所述的传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中，硬质基片为si、al2o3单晶、云母中的其中一种。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤二中，绝缘薄膜的生长条件为：高真空氧压为10-6-10-5pa，优选的高温为600-800度。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤四中，当氧化物铁电薄膜为pzt时的生长条件为：温度为600-700度，激光能量为70-80mj，氧压为13-20pa；当氧化物铁电薄膜为pmn-pt时的生长条件为：温度为600-700度，激光能量为70-80mj，氧压为13-20pa；当氧化物铁电薄膜为batio3时的生长条件为：温度为700-800度，激光能量为70-80mj，氧压为3-5pa。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤三和步骤五中，au电极的生长条件为：温度为20-25度，激光能量为120-130mj，氧压为10-6-10-5pa。

技术总结
本发明公开了一种柔性弹性氧化物铁电薄膜传感器。该传感器具有褶皱结构，包括依次连接的金箔、绝缘薄膜、平行下电极、氧化物铁电薄膜、平行上电极。本发明的传感器，氧化物铁电薄膜是传感器的功能层，“下电极/铁电薄膜/上电极”是传感器基本单元，平行下电极与平行上电极相互垂直，形成由若干单元构成的传感器，传感器的厚度为0.5μm至10μm，含有规则排列的褶皱结构，因此传感器柔韧性好，具有弹性和延展性，可以转移到人体和动物皮肤、植物表皮、人造有机物或无机物表面，并感知上述物体应变和温度变化。

技术研发人员：袁国亮,邢益菘,唐晓龙,张骥
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12