金納米顆粒陣列的電阻特性及應用研究.pdf

1、導體或半導體在外力作用下，會發(fā)生機械形變，其電阻值也會隨著發(fā)生變化，這就是導體的電阻應變效應。利用電阻應變效應進行其他物理量測量的傳感器即為電阻式應變傳感器，其可以用于測量力，形變，位移，加速度和力矩等。粘貼式應變片，是電阻式應變傳感器的主要結(jié)構(gòu)形式，是一種精確、靈敏、多用途以及方便、經(jīng)濟的傳感器。
　　基于納米材料和結(jié)構(gòu)體系電阻式應變傳感器研究現(xiàn)狀，以理解納米結(jié)構(gòu)體系應變傳感物理機制，拓展其應用為目標，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用研究”為題，重點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應變、溫度和濕度等外部激勵的響應特性，并開展了相關(guān)應用研究。
　　用對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，通過組裝工藝控制，制備出了有序排列的條帶陣列。對比研究了自組裝金納米顆粒陣列與文獻中提到的其他納米材料和結(jié)構(gòu)體系的電阻應變響應靈敏度，研究顯示，陣列排列結(jié)構(gòu)的有序性與其應變響應性能密切相關(guān)，有序度越高的陣列結(jié)構(gòu)，其應

3、變響應靈敏度越高。
　　在充分理解自組裝金納米顆粒陣列導電機制的基礎(chǔ)上，通過選擇不規(guī)則形貌的金納米顆粒，將體系電導率提高了2個數(shù)量級以上，提高了其電學性能表征和測量的可操作性。研究了粗糙表面金顆粒陣列對單頻機械振動，單頻音樂信號以及混頻演講語音信號等機械振動的響應性能。
　　為進一步提高二維金納米顆粒陣列的應變傳感性能，通過熱蒸發(fā)方法制備了嚴格單層的超薄島狀金納米薄膜，對比研究了薄膜形成不同階段的形貌結(jié)構(gòu)和電阻應變響應特性的

4、演化過程。結(jié)果顯示隨著薄膜厚度的增加，體系電阻對應變的響應靈敏度逐漸降低。鑒于超薄金納米薄膜制備工藝簡單且易于控制的特點，提出了基于差分分壓電路的相對電阻變化測量方法以提高樣品對應變的響應靈敏度。并以此方法測量了樣品對應變的最小探測極限，結(jié)果顯示在外部應變?yōu)?.00083％時樣品輸出信號的信噪比為1.9。這一探測結(jié)果比文獻報道的基于納米結(jié)構(gòu)體系的應變傳感器相關(guān)結(jié)果降低了1-2個數(shù)量級。
　　關(guān)于超薄金納米薄膜電阻應變響應的物理機制

5、，在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，提出了兩種導電機制相互競爭的電阻網(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低頻微弱機械振動的響應性能。分別開展了其在液滴擾動，防入侵報警以及脈搏信號測量等方面的應用研究。在低頻應變響應研究的基礎(chǔ)上，進一步研究了樣品對聲頻范圍內(nèi)高頻微弱機械振動的響應性能。分別以接觸和非接觸方式測量了基于超薄金納米薄膜的應變傳感器對人類聲音引起的微弱振動的響應特性。