随着现代科学技术水平的飞速发展,力敏传感技术在航空航天、工程设施、医疗、石油开采等生活、生产的各个领域都存在广泛的应用。而这些都正向自动化,智能化,节能,无污染的方向发展,可以看出力敏传感器的应用与我们的日常生活息息相关,作为信息社会的重要技术基础,近年来也取得了不少进步,成为信息获取的必要工具[1-3]。MEMS力敏传感器[4-5]是将力敏感元件和传感器与MEMS技术相结合的一种新型传感器。因此,开发高灵敏度,低功耗的MEMS力敏传感器势在必行。因此对力敏传感器的核心部件——力敏元件提出了更高的要求。

（1）管理体制机制不完善。受现行管理体制制约，库区航运管理涉及多个部门。从广西来看，天生桥库区管航运部门有百色海事局，具体由其派出机构隆林办事处监管，营运方面由县交通局下属港航管理处监管。贵州由黔西南州地方海事局兴义海事处具体管理，处下设巴结海事所，白云海事所。云南则由曲靖市交通局罗平海事处具体管理，各省（区）乡镇政府对渡口船舶也有监管责任。

最常见的力敏传感元件是通过应变片被拉伸或弯曲产生弹性形变来实现对试件表面力学信息采集的标定,应变片通常贴于弹性敏感体上或是粘贴到被测试件的表面[6]。其性能直接影响力敏传感器的性能,因此,通常要求应变片具有良好的可拉伸性、粘连性及高精度是制作应变片首要考虑的问题。

薄膜材料在传感器、催化及磁存储等领域得到广泛的应用,随着纳米技术的快速发展,纳米材料的应用为纳米薄膜材料的开发和研究提供了基础,为人类的生活和工业生产带来了根本性的变化,已引起了人们的广泛重视并进行了深入的研究[7]。

本文主要以纳米ZnO颗粒为填充粒子,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为聚合物,采用机械共混法制备了纳米ZnO/PDMS复合薄膜,并研究了复合薄膜的制备工艺、微观结构、力敏特性等;并设计了复合薄膜在1 gn加速度内的力敏特性测试。经过大量实验,优化出具有良好力敏性能的复合薄膜;最后,根据优化的力敏薄膜,将复合薄膜应用到加速度计中。

1 纳米复合薄膜的制备及结构表征

1.1 纳米复合薄膜的制备

本文主要采用机械共混法制备了纳米ZnO复合薄膜,包括纳米ZnO的表面修饰,超声分散,与聚合物共混成膜。ZnO复合薄膜的制备流程如图1所示。

爱因斯坦曾说过，“兴趣是最好的老师”，孩子们一旦对阅读感兴趣，他们就会将自己的主要时间和精力用于阅读上，阅读心理会向想阅读转变，阅读效果非常明显。为培养学生的阅读兴趣，我重视课堂导入，从课堂一开始就吸引住学生的注意力。我采用的导课方式主要有讲故事、做游戏、猜谜语、设置情境等方式，通过学生喜闻乐见的方式导课，激发了学生的兴趣点，使学生对新课产生了进一步探索的兴趣，这对新课的开展具有重要的作用。

图1 ZnO复合薄膜的制备流程

(1)为改善纳米ZnO颗粒在聚合物中的相容性,减轻团聚,现采用r-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH550)对纳米ZnO进行表面改性。在无水条件下,硅烷偶联剂与纳米粒子表面所吸附的水分发生反应,生成Si-OH,再与纳米ZnO颗粒表面羟基反应,使纳米ZnO表面接上活性氨基,最终使纳米ZnO表面接上有机硬脂酸。

用Agilent4156C半导体特性分析仪测出敏感单元在z方向加速度为1 gn内的输出特性曲线,对试验数据进行分析。从图12可知,电容随着加速度的增大而增大,密度的增加而增大,与上述的应力力敏结果一致,并且通过计算,加速度计的灵敏度最大可达0.484 pF/gn,线性度随密度增大而从99.219%增大到99.549%,说明纳米ZnO纳米颗粒拥有很高的灵敏度,很好的线性度,线性的斜率越大,对力敏传感器越有利。

(3)共混:使用注射器吸取一定量PDMS主剂和固化剂加入纳米ZnO的分散液,在150 ℃的电炉上加热至酒精挥发完,然后放入真空烘箱中,抽真空脱除气泡约1 h。

(4)制膜:将脱除气泡的混合物倒入模具中抽真空,在带热电偶GK-2型高温扩散炉中固化2 h(温度70 ℃),制备成纳米ZnO/PDMS复合薄膜。

多年来，我一直关注萨尔加多（Sebastião Salgado）和史蒂夫·麦凯瑞的职业生涯。虽然他们有着完全不同的创作风格，但我从他们身上获得了灵感：萨尔加多对于拍摄有着影像记录和社会学式的工作方法，史蒂夫·麦凯瑞则善于制造鲜明的色彩和醒目的构图。

通过改变纳米ZnO的质量和加入的聚合物PDMS的量制备不同浓度(ZnO的质量/聚合物PDMS的量=10%、40%、70%)的纳米ZnO复合薄膜。

图2 纳米ZnO在无水乙醇中的分散过程图

图3 不同尺寸纳米ZnO复合薄膜的扫描电镜图

1.2 纳米ZnO/PDMS复合薄膜形貌特性表征

将制备好的复合薄膜分批放入真空镀膜机中镀金,然后用扫描电子显微镜(SEM)观察复合薄膜的形态及分散情况,结果如图3所示。

从图3可以看出,(1)纳米ZnO颗粒在PDMS中的分散性比较好,且大小相对均匀,未出现明显的团聚现象,并且与聚合物具有较好的相容性;(2)纳米ZnO颗粒表面光滑,随着纳米ZnO颗粒尺寸的增大,颗粒间隙逐渐减小,纳米颗粒较均匀地分散在PDMS中,形成了一层致密良好的导电薄膜,说明了采用机械共混法的工艺的可行性。

2 纳米ZnO复合薄膜力敏特性研究

为了能够满足力敏传感器的性能指标,通过对纳米ZnO/PDMS复合薄膜的“力-电阻”、“力-电容”及“力-阻抗”特性的测量,重点研究了纳米颗粒的含量、粒径等因素对复合薄膜力敏性能的影响,目的是要提高复合薄膜的灵敏度。复合薄膜对应力的敏感程度是影响复合薄膜力敏特性的重要原因之一。

2.1 复合薄膜的测试方法

图4为实验测试示意图,在实验中采用一个简单的质量块结构,加压装置包括一个固定部件和一个螺旋测微仪,在实验中使加压装置固定在精密隔振平台上,以防止周围环境振动的影响。通过转动螺旋测微仪对质量块部分挤压,从而在复合结构上产生应变,即对复合薄膜产生压力,屏蔽线焊接到电极上,并连接到半导体特性分析仪4156C &精密阻抗特性分析仪4284A上,屏蔽线和加压装置与纳米ZnO/PDMS复合薄膜及测量仪器构成完整的电路,实验中噪声电流为0.4 pA。

第一课时安排：讲解血液的基本成分、实验选材问题以及如何从血液中提取和分离血红蛋白的实验思路等基础知识。组织学生对血液样品进行处理（红细胞的洗涤、血红蛋白的释放、分离血红蛋白溶液、透析等实验操作步骤）。课后，组织部分学生配制电泳相关溶液及试剂、组装电泳装置、制胶等。

图4 实验测试示意图

图5 纳米ZnO复合薄膜在不同应力下的电阻变化

2.2 纳米ZnO复合薄膜力敏特性测试

2.2.1 电阻对应力以及不同密度和尺寸的敏感

为了保证该复合薄膜能够应用到加速度计结构中,对该加速度计的灵敏度、线性度以及与浓度的关系进行了测试分析。通过一系列的性能测试,验证该复合薄膜结构应用到加速度计中的可行性,为基于纳米复合薄膜结构的加速度计力敏效应的验证奠定了理论依据和测试基础,也为复合薄膜的实际使用提供有价值的数据,为后续研究工作提供优良的复合薄膜配方和工艺。

从图5(c)中可看出纳米ZnO复合薄膜的压阻灵敏度因子最大为434.8(10 nm,70%),这是由于当颗粒之间的间距达到1 nm～10 nm时,复合薄膜呈现半导体,颗粒之间的电子传输主要为电子隧穿效应,当施加一定的压力时,颗粒之间的间距发生变化,引起电子隧穿几率的变化[8-9](颗粒间距大小与电子隧穿几率成指数关系),产生高的力敏感特性;当颗粒之间的间距大于10 nm时,导电粒子间距较大,无导电网络形成,以隧道效应为主;纳米ZnO颗粒含量的微小变化都会引起复合薄膜电阻的变化,当颗粒之间的间距小于1 nm时,复合薄膜电阻呈现平衡变化,说明复合薄膜成为直接导电模型,随着颗粒尺寸的增大,压电阻灵敏度因子降低,原因是纳米ZnO颗粒含量增加到一定程度,颗粒之间间距减小,甚至连接导通,电阻值降低。

图6 纳米ZnO复合薄膜在不同应力下的电容变化

2.2.2 电容对应力以及不同密度和尺寸的敏感

利用Agilent 4284A LCR测试仪组成的测试系统对ZnO复合薄膜进行测试。从等效电路模型可知,颗粒之间的间隙可以等效为平行板电容器[10-11],实验中测试复合薄膜的电容变化主要由颗粒间距决定的,从图6中看出,加压后,颗粒之间的间距变小,电容增大,由平行板电容原理可知,间距越小,电容越大。图6(a)表示颗粒密度越大,相同应变下,电容变化越大,这是因为密度越大,复合薄膜中的颗粒间距数量越多,相应的电容变化就越大,所以电容变化率随密度正比变化。图6(b)表示电容变化率随着尺寸的减小在增大,根据平行板电容器的原理可知,尺寸越小,重叠面积越小,电容越小,即加压前总电容越小,在相同的应力作用下产生的相同的电容量此时相对总电容变化就越大。因此,尺寸越小,电容变化率越大,表明了复合薄膜具有良好的力敏感效应。

图6(c)表示为不同尺寸、不同密度纳米ZnO复合薄膜的压电容灵敏度因子,根据公式gc=ΔC/Cε,计算可知,纳米ZnO复合薄膜的电容灵敏度因子最大为4.88(10 nm,70%),原因是复合薄膜内部的极化效应是由纳米ZnO颗粒的参入在PDMS中,在应力作用下引起颗粒与颗粒之间距离的变化引起,随着颗粒尺寸的增大,压电容灵敏度因子降低,原因是纳米ZnO颗粒含量增加到一定程度,颗粒之间间距减小,甚至连接导通,电容值降低。

图7 纳米ZnO复合薄膜在不同应力下的阻抗实部变化

2.2.3 阻抗实部对应力以及不同密度和尺寸的敏感

与假手术组比较，模型组大鼠各时间点外周血EPCs水平均显著下降，差异均有统计学意义（P＜0.05）。与模型组比较，诃子提取物中、高剂量组大鼠各时间点外周血EPCs水平均显著提高，差异均有统计学意义（P＜0.05或P＜0.01），且该指标于给药后3 d达到峰值，给药后7 d有所下降；而诃子提取物低剂量组大鼠各时间点外周血EPCs水平与模型组比较，差异均无统计学意义（P＞0.05），详见表1。

当前，低温等离子技术在塑料改性中的应用较为广泛，主要涉及的高分子材料包括聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等。塑料制品的化学性质稳定，耐酸碱，耐低温，被广泛应用于制作家庭用品当中。但是其易燃烧、亲水性差的特点，也限制了其使用范围。

利用Agilent 4284A LCR测试仪组成的测试系统对ZnO复合薄膜进行阻抗测试。从图7中可知,压力越大阻抗的实部越小,这是由于加压之后纳米ZnO晶体的晶格结构发生变化,引起载流子迁移率发生变化,导致电阻变化。图7(a)表示密度越大,复合薄膜中晶粒数量越多,由于晶粒电阻小于晶界和离子水,所以晶粒电阻导致实部阻值变小,而变化率变大,也是因为密度越大,晶粒越多,发生力敏效应的晶粒越大,相应的实部阻值变化就越大,所以实部阻值变化率随密度正比变化。图7(b)表示实部阻值变化率随着尺寸的减小在增大,这是由于尺寸越小,实部阻值越大,晶粒中电子越少,在相同的压力作用下,空间电场产生的电子是一定的,因此总电子数越少,产生的电子数相对越多,实部阻值变化越明显,所以,尺寸越小,实部阻值变化率越大,其原理与电阻变化原理一致,但通过对比,实部阻值电阻率(ΔRs/Rs最大值为0.105)相对电阻阻值率(最大为0.747)要小的多,也就是纳米颗粒晶粒产生的电阻变化要比晶界产生的电阻变化小,纳米颗粒晶界的力敏效应要好于晶粒。

在城市轨道交通换乘空间设计中，不论两线换乘、三线换乘还是多线换乘，换乘厅始终是换乘空间中最核心的部分。设计中应优先确定换乘大厅的位置，再根据换乘线路的数量以及换乘量确定大厅规模。换乘厅根据自身与交通枢纽的空间关系分为单核心换乘厅和多核心换乘厅。

图8 纳米ZnO复合薄膜在不同应力下的阻抗虚部变化

2.2.4 阻抗虚部对应力以及不同密度和尺寸的敏感

利用Agilent 4284A LCR测试仪组成的测试系统对ZnO复合薄膜进行测试。图8所示的是阻抗的虚部变化规律,由纳米ZnO纳米颗粒等效电路模型也可知道,纳米颗粒的阻抗的虚部主要有晶界的电容决定,由上述公式可知,阻抗的虚部大小与电容成正比,实验测试电容值为10 F～12 F,通过公式计算虚部的值大小为104 Ω～105 Ω,与图中测试结果一致。虚部阻值变化率随着尺寸的减小在增大,与电容变化规律完全相同,实验结果再次表明复合薄膜有良好的力电敏感效应。

3 纳米ZnO复合薄膜在加速度计中的应用基础研究

利用精密半导体参数分析仪(4156C)组成的测试系统对复合薄膜进行伏安特性测试。从图5中可以看出,当压力增大后,复合薄膜的电阻在不断减小,电阻的下降说明其复合薄膜中以导电纳米ZnO颗粒为主的导电通路急剧增加。实验中测试复合薄膜的电阻变化主要由颗粒间距决定的,压力增大后复合材料的电阻变小,即颗粒间距变小,又由能带理论可知,加压压力增大后,势垒的厚度变小,隧穿电子增大,电阻减小。图5(a)表示复合薄膜的密度越大,相同应变下,电阻变化越大,这是因为密度越大,复合薄膜中颗粒间距越多,相应的电阻变化就越大,所以电阻变化率随密度正比变化。图5(b)表示电阻变化率随着尺寸的减小在增大,这是由于尺寸越小,电阻越大,电子越少,在相同的压力作用下,空间电场产生的电子是一定的,因此总电子数越少,产生的电子数相对越多,电阻变化越明显,所以,尺寸越小,电阻变化率越大,实验结果说明当颗粒尺寸为10 nm时,复合薄膜密度为70%时,电阻的变化率就越大,与理论分析一致,实验测试结果表明复合薄膜有良好的力敏效应。

3.1 纳米ZnO敏感检测元件的制作及测试系统的搭建

[3] 沈星婷,林靖猜,徐峰,等. 基于ZnO纳米片/纳米球复合结构光阳极的染料敏化太阳电池[J]. 电子器件,2011,34(4):359-362.

图9 纳米ZnO敏感单元结构示意图

图10 实验测试过程图

设计了Agilent4284A LCR测试仪、Agilent4156C半导体参数分析仪及origin软件组成的测试系统进行力敏性能测试。试过程示意图如图10所示。

3.3 纳米ZnO敏感元件在加速度计上的应用测试

3.3.2 电容对应力以及不同密度和尺寸的敏感

图11是用Agilent4156C半导体特性分析仪测出敏感单元在z方向加速度为1 gn内的输出特性曲线,对试验数据进行分析。从图11可知,电阻随着加速度的增大而减小,随着密度的增加而增大,与上述的应力力敏测试实验规律一致,同时,当加速度<0.7时,输出特性曲线呈线性变化,意味着纳米ZnO复合薄膜与电极的接触良好,接触电阻较小;当加速度>0.7时,加速度计的灵敏度在大于0.7 gn时比小于0.7 gn时大,说明大于0.7 gn后,加速度计的灵敏度会更好。

图11 纳米ZnO/PDMS复合薄膜在不同加速度作用下的电阻变化

3.3.1 电阻对应力以及不同密度和尺寸的敏感

(2)超声:准确称取一定量改性的纳米ZnO倒入烧杯中,加入少量无水乙醇,在超声振荡器中超声2 h左右,使纳米ZnO在无水乙醇中均匀分散,得到纳米ZnO的分散液。纳米ZnO在无水乙醇中的分散过程图如图2所示。

1）法律法规、政策等文件方面：首先，国家法律法规层面：近些年出台的《中华人民共和国旅游法》《水土保持法》《野生动物保护法》《自然保护区条例》《环境保护法》等，在宏观上对环湖地区旅游的发展起到了指导作用。2、地方规章层面：2003年青海省人大常委会通过的《青海湖流域生态环境保护条例》，对环湖地区的生态环境保护起到引领性作用；2015年1月1日起实施的《青海湖景区管理条例》对景区规划、建设、景区管理以及景区保护等方面做出规定；2011年实施的《青海省旅游条例》，对全省旅游活动进行规定。

图12 纳米ZnO/PDMS复合薄膜在不同加速度作用下的电容变化

3.3.3 阻抗实部对应力以及不同密度和尺寸的敏感

用Agilent4156C半导体特性分析仪测出敏感单元在z方向加速度为1 gn内的输出特性曲线,对试验数据进行分析。从图13可知,实部阻值随着加速度的增大而减小,密度的增加而减小,符合上述的应力力敏测试实验规律一致,同时,加速度计的灵敏度在整个测试范围内基本一致,说明纳米ZnO纳米颗粒晶粒对加速度的变化稳定,以此研制的加速度计输出稳定性很好。

图13 纳米ZnO/PDMS复合薄膜在不同加速度作用下的阻抗实部变化

3.3.4 阻抗虚部对应力以及不同密度和尺寸的敏感

用Agilent4156C半导体特性分析仪测出敏感单元在z方向加速度为1 gn内的输出特性曲线,对试验数据进行分析。从图14中可知,虚部阻值随着加速度的增大而增大,密度的增加而增大,完全吻合上述的应力力敏测试规律,也与电容变化一致,体现了晶界对加速度的敏感特性,可以研制开发低成本、高灵敏度的加速度传感器,甚至应用于其他MEMS传感器结构中。

普查数据质量是水利普查工作的生命线，是检验水利普查成功与否的根本标准，普查数据要求不重不漏、真实可靠，能全面和完整地体现目前的水利现状，质量控制是贯穿于整个普查工作的一条主线。

图14 纳米ZnO/PDMS复合薄膜在不同加速度作用下的阻抗虚部变化

4 结论

通过分析以PDMS为聚合物制备了不同尺寸和密度的纳米ZnO/PDMS复合薄膜,研究了纳米ZnO/PDMS复合薄膜的电阻、电容和阻抗随应力的变化规律,测试了纳米ZnO/PDMS复合薄膜的力敏效应,并分析了不同尺寸和密度对其力敏效应的影响。

随着浓度的增加,复合薄膜力敏敏感度增强,通过对复合薄膜的电阻,电容及灵敏度因子的分析,得出纳米ZnO复合薄膜的压阻灵敏度因子达到434(10 nm,70%),压电容灵敏度因子达到4.88(10 nm,70%),复合薄膜呈现出了良好的压-阻和压-电容特性,复合薄膜具有良好的应力敏感特性。并得出影响复合薄膜压-阻和压-电容特性的关键因素是复合薄膜中的纳米颗粒的含量的多少和尺寸的大小。

通过上述实验结果和讨论,证明了纳米ZnO颗粒与聚合物PDMS具有良好的结合性,对设计传感器的敏感元件非常有益,能够使力学传感器灵敏度等方面得到明显改善。

并且发明了一种纳米ZnO/PDMS复合薄膜的加速度计器件。通过测试在1G加速度内的力敏特性,实验中加速度计的灵敏度最大可达到0.484 pF/gn,得到了相同的变化规律,验证该复合薄膜结构应用到加速度计中的可行性,为基于纳米复合薄膜结构的加速度计力敏效应的验证奠定了理论依据和测试基础,在探测微位移和微小受力方面具有广阔的应用前景。

参考文献:

例1～例6“不”修饰谓语，在例7中，“不”位于句末，构成反复问句，此种用法《周》共17见，《齐》中无此用法。

[1] 赵立波,赵玉龙. 用于恶劣环境的耐高温压力传感器[J]. 光学精密工程,2009,17(6):1460-1466.

[2] Wrbanek J D,Fralick G C,Gonzalez J M,et al. Thin Film Ceramic Strain Sensor Development for High Temperature Environments[J]. NASA/TM-2008-215256,2008.

传感器敏感元件的制作工艺直接决定着传感器的敏感特性,同时敏感材料的表面处理也将影响传感器的特性,设计的敏感检测元件的结构如图9所示。

苏鹏飞等[6]通过雾化法制备René104 镍基高温合金粉末，制备样品具有良好的球形度和适宜的含氧量。

[4] Reilly D L. Neural Network Video Sensor Application for Rail Crossing Safety[R]. TRBIDEA-HSR-1O,Washington:Transporation Research Board,2001.

这年春天，元忭会试中了状元，徐渭“侧闻胜事，便拟随俗称庆，念无可致羔雁者。得报之夕，喜而浮太白者五，制词者二，敬书以充。”兴奋之余，徐渭没有忘记去向天复道贺，作有《闻张子荩廷捷之作，奉内山尊公》诗。

[5] Guo Z,Feng Z,Fan S,et al. Research Development of Measuring Methods on the Tribology Characters for Movable MEMS Devices:A Review[J]. Microsystem Technologies,2009,15(3):343-354.

[6] 刘宇,鞠文斌,刘羽熙. MEMS 加速度传感器计量检测技术的研究进展[J]. 计测技术,2010,30(4):5-8.

[7] Herrmann J,Müller K H,Reda T,et al. [J]. Appl Phys Lett,2007,91:183105.

[8] 陈文会,陈江宁,王志勇,等. ZnO纳米器件在紫外线强度监测报警中的应用[J]. 传感技术学报,2016,29(4):479-483.

[9] Ibaez F J,Zamborini F P. Chemiresistive Sensing with Chemically Modified Metal and Alloy Nanoparticles[J]. Small,2012,8(2):174-202.

[10] Leret P,De la Rubia M A,Romero J J,et al. Phenomenological Model of Grain Boundary Behaviour under a Bias Field in Nb-Doped CaCu3Ti4O12 Ceramics[J]. Journal of Alloys and Compounds,2011,509(41):9719-9723.

“多谢神甫，当时收留我们。不然我们这样的女人，现在不知道给祸害成什么样了。”法比这时凑过来，不眨眼地看着玉墨。玉墨又说：“我们活着，反正就是给人祸害，也祸害别人。”她俏皮地飞了两个神甫一眼。

[11] Chattopadhyay P,Ray M. Capacitance Model of Grain Boundaries in Presence of Deep Levels and Interface States[J]. Indian Journal of Pure and Applied Physics,1996,34:962-965.

梁 华(1984-),女,汉族,江西南昌人,硕士,南昌理工学院,电子学院,讲师,研究方向为自动化,可编程控制,kavana1011@126.com;

王自敏(1984-),女,汉族,山东嘉祥县人,硕士,南昌理工学院,电子学院,讲师,研究方向为信息处理与管理、思想政治教育、图像处理。