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摘要:將前沿科研成果轉化為本科開放性實驗教學內容，設計了一種柔性應力傳感器綜合性實驗。通過采用化學氣相沉積法合成氧化鋅(ZnO)微米線，并制備了基于單根微米線的壓電應力傳感器。通過實驗結果發現，器件具有很好的穩定性和重復性，在2.17%的張應力下器件的敏感度計算為1149.63。實踐表明，該綜合性實驗融合了材料生長、材料表征、器件制備與器件性能表征等多方面知識，不僅激發學生對專業知識的學習興趣，同時也能夠培養學生的自主學習能力、動手操作能力和創新思維能力。

關鍵詞:綜合性實驗;應力傳感器;靈敏度;創新思維能力

電子科學與技術專業是國家重點發展學科之一，是現代電子科學的心臟和基礎。本學科的發展對國家經濟發展、科技進步以及國防建設具有重要的戰略意義［1］。大連理工大學(以下簡稱:我校)電子科學與技術專業實驗課是一個與實際應用結合非常緊密的課程，它在本專業本科教學中占有及其重要的地位，它是培養學生實踐能力、創新精神、分析和解決科學實踐問題能力的重要環節。將最前沿的科技成果引入本專業本科生實驗教學中，開出高水平的、適合學生動手操作的綜合研究型開放實驗，將書本理論知識與實際應用有機結合，能夠加深學生對專業知識的理解，培養學生良好的創新思維習慣，提高他們的分析與解決問題的能力［2－3］。近年來，柔性可穿戴應力傳感器件得到迅速發展，并且在智能電子、機器人、臨床診斷、健康監控、運動保健、環境監控以及太空與航天等領域有著廣泛的應用前景［4］。作為新一代寬禁帶半導體，ZnO是一種具有優越的壓電特性的多功能材料，在壓電電子學領域中已經占據重要一席［5－6］。尤其是ZnO壓電應變傳感器作為新型的電子器件近些年受到人們的廣泛關注［7－8］。如果能夠將這項科研成果轉化為本專業學生開放性實驗，能大大促進學生對專業知識的學習興趣。為此，設計了“柔性壓電應力傳感器”綜合研究型實驗，篩選出部分難度適宜、重現性較好的科研成果中部分內容作為開放性實驗內容，并融合了微/納米材料生長、材料表征、器件制備與器件性能表征等多方面知識，能夠讓學生對所學到的理論和實踐知識構建一個知識體系，培養學生創新思維能力、動手操作能力和解決實際問題能力。

1實驗方案設計

1．1實驗準備

ZnO粉末和碳粉的混合粉末(摩爾比為1∶1);聚四氟乙烯(PTFE)襯底(尺寸為:30×10×1mm3);金線(尺寸為?0．038mm×25mm);導電銀漿;環氧樹脂(EPR);石英管(?30mm×30cm);柔性PTFE襯底依次用丙酮、乙醇分別超聲清洗10分鐘，然后用去離子水反復沖洗，并用氮氣吹干后待用。

1．2一維ZnO微米線制備方案

采用了化學氣相沉積(CVD)的方法制備一維ZnO微米線。圖1給出本實驗所采用的CVD的示意圖，包括恒溫管式爐、溫控設備、氣路系統、尾氣處理系統和小石英管反應室等部分組成。首先，將研磨好的反應源ZnO粉末和碳粉的混合粉末，放入到小石英管的指定位置，然后把小石英管送入到管式爐的管腔中。接著，給系統通入氮氣并升溫加熱，當反應源溫度升到950℃時通氧氣，氧氣和氮氣的總流量為60SCCM(氮氣:20SCCM;氧氣:40SCCM)。當溫度升到并穩定在950℃時，生長40分鐘，此時襯底溫度為950℃，保持氣體流量不變冷卻至室溫取出。這時，小石英管下游的管壁上會有許多線型白色物質出現，經表征后得知這就是ZnO微米線。

1．3柔性應力傳感器制備方案

將生長好的單根ZnO微米線轉移到PTFE襯底中央，并在ZnO微米線兩端點上銀漿，然后在兩端分別把準備好的金線連接到ZnO微米線的兩端固定;把樣品放到烘箱中加熱到95℃并保持15分鐘，銀漿固化后，利用環氧樹脂對器件進行封裝。這部分實驗內容要求學生了解化學氣相沉積設備的基本結構及工作原理，并且熟練掌握化學氣相沉積法制備一維ZnO微/納米結構的工藝流程。引導學生分析生長條件對得到的微米線的影響作用，讓學生加深對微納米線生長原理的理解。

2實驗結果分析

2．1一維ZnO微米線的形貌與結構表征分析

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測了所有制備樣品的微觀形貌，如圖2所示，可以看出微米線具有完美的六角晶體結構，表面比較光滑平整，ZnO微米線的直徑為10μm，長度約為2～4mm。通過該部分實驗，讓學生學會使用掃描電子顯微鏡對制備的樣品表面結構進行觀察與分析。

2．2I－V測試與受力分析

為了讓器件受到一個均勻力，設計了如圖3(a)所示測試系統，在器件和基臺之間有一個長15mm、厚0．5mm的墊片，傳感器件的一端和這個墊片一同固定在基臺上，將器件的引線連接到I－V測試裝置中，在傳感器的自由端對其施加一個向下的壓力，由于PTFE襯底為柔性襯底，當受到外力時有較大的形變響應并帶動ZnO微米線的彎曲，從而產生電學信號的改變，這就是測試系統的基本結構。在這里，實驗裝置搭建方案的不同，器件受到應變大小也不一樣。因此，教師需要引導學生自行思考并搭建實驗裝置，并且讓學生分別研究其器件在受力情況下的應變大小。圖3(b)是該器件受到張壓力時的示意圖，在這里，在對襯底施加外力的情況下，環氧樹脂(EPR)封裝層和電極對整個器件的力學特性的影響可以忽略不計，只考慮襯底的受力情況。

2．3應力傳感的特性分析

結合前面制備的ZnO壓電應力傳感器，我們采用半導體綜合測量系統測量器件在1．5V的偏壓下的電流－時間變化曲線，如圖4所示。當器件未受力時，電流值維持在20．4nA左右。對器件施加頻率～0．1Hz的張應力后，電流迅速上升，最大值約為529．32nA;當釋放外力時，電流迅速恢復到初始位置。可見，該傳感器具有良好的穩定性和重復性。對于一個傳感器件，具有良好的穩定性和重復性等特性是非常重要的基礎，然而敏感度直接決定了器件的研究與應用價值，是較為直接和關鍵的參數。在完成以上實驗之后，需要學生在課上完成對器件的靈敏度進行計算過程。最后根據實驗結果，指導教師需要引導學生對當下研究結果進行總結與分析。尤為關鍵的是，指導教師要知道如何啟發學生針對目前研究成果，對器件進行新的改進與創新，這是提高學生創新思維能力的關鍵點。例如，通過實驗算出的靈敏度，讓學生思考影響器件靈敏度大小的因素有哪些?可以采用哪些方案提高器件的靈敏度?等等。指導教師也可以讓學生查閱相關文獻，總結國內外“ZnO壓電應力傳感器”的研究現狀，并引導學生思考該類器件目前存在的問題有哪些?有哪些可以改進的地方(可以從器件構造、性能指標、制備工藝、應用領域等角度思考)?然后鼓勵學生自行設計并完成新的實驗方案。針對較好的實驗成果，可以指導學生進行科研論文或專利的撰寫。這些都為本科生進一步參與科研項目，培養學生的創新思維能力奠定了基礎。

3結語

針對柔性可穿戴應力傳感技術日新月異的發展趨勢，探索了將前沿科研成果轉化為本科實驗教學開放性實驗課的過程。通過以一維ZnO微米線為壓電材料，制備一種基于單根微米線的壓電應力傳感器，該綜合性實驗包括ZnO微米線的生長與表征和器件的制備與測試分析等內容。該綜合性實驗方案，能夠激發學生對專業知識的強烈學習興趣，培養學生的創新意識和創新能力，大大地提高了實驗教學效果。此外，通過將科研成果引入到本科實驗教學當中，也為培養學生的科研能力奠定了基礎。

作者:邱宇 趙宇 張瑩瑩 王曉娜 單位:大連理工大學