金納米顆粒陣列的電阻特性及應(yīng)用研究.pdf

1、導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下，會(huì)發(fā)生機(jī)械形變，其電阻值也會(huì)隨著發(fā)生變化，這就是導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)。利用電阻應(yīng)變效應(yīng)進(jìn)行其他物理量測(cè)量的傳感器即為電阻式應(yīng)變傳感器，其可以用于測(cè)量力，形變，位移，加速度和力矩等。粘貼式應(yīng)變片，是電阻式應(yīng)變傳感器的主要結(jié)構(gòu)形式，是一種精確、靈敏、多用途以及方便、經(jīng)濟(jì)的傳感器。
　　基于納米材料和結(jié)構(gòu)體系電阻式應(yīng)變傳感器研究現(xiàn)狀，以理解納米結(jié)構(gòu)體系應(yīng)變傳感物理機(jī)制，拓展其應(yīng)用為目標(biāo)，本文以“基于電子隧穿的金納

2、米顆粒陣列的電阻特性及應(yīng)用研究”為題，重點(diǎn)研究了自組裝金納米顆粒陣列和超薄金納米薄膜體系的電阻對(duì)應(yīng)變、溫度和濕度等外部激勵(lì)的響應(yīng)特性，并開(kāi)展了相關(guān)應(yīng)用研究。
　　用對(duì)流自組裝方法制備了基于光滑表面球形金納米顆粒的陣列，通過(guò)組裝工藝控制，制備出了有序排列的條帶陣列。對(duì)比研究了自組裝金納米顆粒陣列與文獻(xiàn)中提到的其他納米材料和結(jié)構(gòu)體系的電阻應(yīng)變響應(yīng)靈敏度，研究顯示，陣列排列結(jié)構(gòu)的有序性與其應(yīng)變響應(yīng)性能密切相關(guān)，有序度越高的陣列結(jié)構(gòu)，其應(yīng)

3、變響應(yīng)靈敏度越高。
　　在充分理解自組裝金納米顆粒陣列導(dǎo)電機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過(guò)選擇不規(guī)則形貌的金納米顆粒，將體系電導(dǎo)率提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，提高了其電學(xué)性能表征和測(cè)量的可操作性。研究了粗糙表面金顆粒陣列對(duì)單頻機(jī)械振動(dòng)，單頻音樂(lè)信號(hào)以及混頻演講語(yǔ)音信號(hào)等機(jī)械振動(dòng)的響應(yīng)性能。
　　為進(jìn)一步提高二維金納米顆粒陣列的應(yīng)變傳感性能，通過(guò)熱蒸發(fā)方法制備了嚴(yán)格單層的超薄島狀金納米薄膜，對(duì)比研究了薄膜形成不同階段的形貌結(jié)構(gòu)和電阻應(yīng)變響應(yīng)特性的

4、演化過(guò)程。結(jié)果顯示隨著薄膜厚度的增加，體系電阻對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)靈敏度逐漸降低。鑒于超薄金納米薄膜制備工藝簡(jiǎn)單且易于控制的特點(diǎn)，提出了基于差分分壓電路的相對(duì)電阻變化測(cè)量方法以提高樣品對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)靈敏度。并以此方法測(cè)量了樣品對(duì)應(yīng)變的最小探測(cè)極限，結(jié)果顯示在外部應(yīng)變?yōu)?.00083％時(shí)樣品輸出信號(hào)的信噪比為1.9。這一探測(cè)結(jié)果比文獻(xiàn)報(bào)道的基于納米結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)變傳感器相關(guān)結(jié)果降低了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　關(guān)于超薄金納米薄膜電阻應(yīng)變響應(yīng)的物理機(jī)制

5、，在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，提出了兩種導(dǎo)電機(jī)制相互競(jìng)爭(zhēng)的電阻網(wǎng)絡(luò)模型，較好的解釋了薄膜厚度與體系電阻之間的關(guān)系。
　　研究了基于超薄金納米薄膜的懸臂梁對(duì)低頻微弱機(jī)械振動(dòng)的響應(yīng)性能。分別開(kāi)展了其在液滴擾動(dòng)，防入侵報(bào)警以及脈搏信號(hào)測(cè)量等方面的應(yīng)用研究。在低頻應(yīng)變響應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了樣品對(duì)聲頻范圍內(nèi)高頻微弱機(jī)械振動(dòng)的響應(yīng)性能。分別以接觸和非接觸方式測(cè)量了基于超薄金納米薄膜的應(yīng)變傳感器對(duì)人類聲音引起的微弱振動(dòng)的響應(yīng)特性。