摘要:将前沿科研成果转化为本科开放性实验教学内容，设计了一种柔性应力传感器综合性实验。通过采用化学气相沉积法合成氧化锌(ZnO)微米线，并制备了基于单根微米线的压电应力传感器。通过实验结果发现，器件具有很好的稳定性和重复性，在2.17%的张应力下器件的敏感度计算为1149.63。实践表明，该综合性实验融合了材料生长、材料表征、器件制备与器件性能表征等多方面知识，不仅激发学生对专业知识的学习兴趣，同时也能够培养学生的自主学习能力、动手操作能力和创新思维能力。
关键词:综合性实验;应力传感器;灵敏度;创新思维能力
电子科学与技术专业是国家重点发展学科之一，是现代电子科学的心脏和基础。本学科的发展对国家经济发展、科技进步以及国防建设具有重要的战略意义［1］。大连理工大学(以下简称:我校)电子科学与技术专业实验课是一个与实际应用结合非常紧密的课程，它在本专业本科教学中占有及其重要的地位，它是培养学生实践能力、创新精神、分析和解决科学实践问题能力的重要环节。将最前沿的科技成果引入本专业本科生实验教学中，开出高水平的、适合学生动手操作的综合研究型开放实验，将书本理论知识与实际应用有机结合，能够加深学生对专业知识的理解，培养学生良好的创新思维习惯，提高他们的分析与解决问题的能力［2－3］。近年来，柔性可穿戴应力传感器件得到迅速发展，并且在智能电子、机器人、临床诊断、健康监控、运动保健、环境监控以及太空与航天等领域有着广泛的应用前景［4］。作为新一代宽禁带半导体，ZnO是一种具有优越的压电特性的多功能材料，在压电电子学领域中已经占据重要一席［5－6］。尤其是ZnO压电应变传感器作为新型的电子器件近些年受到人们的广泛关注［7－8］。如果能够将这项科研成果转化为本专业学生开放性实验，能大大促进学生对专业知识的学习兴趣。为此，设计了“柔性压电应力传感器”综合研究型实验，筛选出部分难度适宜、重现性较好的科研成果中部分内容作为开放性实验内容，并融合了微/纳米材料生长、材料表征、器件制备与器件性能表征等多方面知识，能够让学生对所学到的理论和实践知识构建一个知识体系，培养学生创新思维能力、动手操作能力和解决实际问题能力。
1实验方案设计
1．1实验准备
ZnO粉末和碳粉的混合粉末(摩尔比为1∶1);聚四氟乙烯(PTFE)衬底(尺寸为:30×10×1mm3);金线(尺寸为?0．038mm×25mm);导电银浆;环氧树脂(EPR);石英管(?30mm×30cm);柔性PTFE衬底依次用丙酮、乙醇分别超声清洗10分钟，然后用去离子水反复冲洗，并用氮气吹干后待用。
1．2一维ZnO微米线制备方案
采用了化学气相沉积(CVD)的方法制备一维ZnO微米线。图1给出本实验所采用的CVD的示意图，包括恒温管式炉、温控设备、气路系统、尾气处理系统和小石英管反应室等部分组成。首先，将研磨好的反应源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炉的管腔中。接着，给系统通入氮气并升温加热，当反应源温度升到950℃时通氧气，氧气和氮气的总流量为60SCCM(氮气:20SCCM;氧气:40SCCM)。当温度升到并稳定在950℃时，生长40分钟，此时衬底温度为950℃，保持气体流量不变冷却至室温取出。这时，小石英管下游的管壁上会有许多线型白色物质出现，经表征后得知这就是ZnO微米线。
1．3柔性应力传感器制备方案
将生长好的单根ZnO微米线转移到PTFE衬底中央，并在ZnO微米线两端点上银浆，然后在两端分别把准备好的金线连接到ZnO微米线的两端固定;把样品放到烘箱中加热到95℃并保持15分钟，银浆固化后，利用环氧树脂对器件进行封装。这部分实验内容要求学生了解化学气相沉积设备的基本结构及工作原理，并且熟练掌握化学气相沉积法制备一维ZnO微/纳米结构的工艺流程。引导学生分析生长条件对得到的微米线的影响作用，让学生加深对微纳米线生长原理的理解。
2实验结果分析
2．1一维ZnO微米线的形貌与结构表征分析
采用扫描电子显微镜(SEM)观测了所有制备样品的微观形貌，如图2所示，可以看出微米线具有完美的六角晶体结构，表面比较光滑平整，ZnO微米线的直径为10μm，长度约为2～4mm。通过该部分实验，让学生学会使用扫描电子显微镜对制备的样品表面结构进行观察与分析。
2．2I－V测试与受力分析
为了让器件受到一个均匀力，设计了如图3(a)所示测试系统，在器件和基台之间有一个长15mm、厚0．5mm的垫片，传感器件的一端和这个垫片一同固定在基台上，将器件的引线连接到I－V测试装置中，在传感器的自由端对其施加一个向下的压力，由于PTFE衬底为柔性衬底，当受到外力时有较大的形变响应并带动ZnO微米线的弯曲，从而产生电学信号的改变，这就是测试系统的基本结构。在这里，实验装置搭建方案的不同，器件受到应变大小也不一样。因此，教师需要引导学生自行思考并搭建实验装置，并且让学生分别研究其器件在受力情况下的应变大小。图3(b)是该器件受到张压力时的示意图，在这里，在对衬底施加外力的情况下，环氧树脂(EPR)封装层和电极对整个器件的力学特性的影响可以忽略不计，只考虑衬底的受力情况。
2．3应力传感的特性分析
结合前面制备的ZnO压电应力传感器，我们采用半导体综合测量系统测量器件在1．5V的偏压下的电流－时间变化曲线，如图4所示。当器件未受力时，电流值维持在20．4nA左右。对器件施加频率～0．1Hz的张应力后，电流迅速上升，最大值约为529．32nA;当释放外力时，电流迅速恢复到初始位置。可见，该传感器具有良好的稳定性和重复性。对于一个传感器件，具有良好的稳定性和重复性等特性是非常重要的基础，然而敏感度直接决定了器件的研究与应用价值，是较为直接和关键的参数。在完成以上实验之后，需要学生在课上完成对器件的灵敏度进行计算过程。最后根据实验结果，指导教师需要引导学生对当下研究结果进行总结与分析。尤为关键的是，指导教师要知道如何启发学生针对目前研究成果，对器件进行新的改进与创新，这是提高学生创新思维能力的关键点。例如，通过实验算出的灵敏度，让学生思考影响器件灵敏度大小的因素有哪些?可以采用哪些方案提高器件的灵敏度?等等。指导教师也可以让学生查阅相关文献，总结国内外“ZnO压电应力传感器”的研究现状，并引导学生思考该类器件目前存在的问题有哪些?有哪些可以改进的地方(可以从器件构造、性能指标、制备工艺、应用领域等角度思考)?然后鼓励学生自行设计并完成新的实验方案。针对较好的实验成果，可以指导学生进行科研论文或专利的撰写。这些都为本科生进一步参与科研项目，培养学生的创新思维能力奠定了基础。
3结语
针对柔性可穿戴应力传感技术日新月异的发展趋势，探索了将前沿科研成果转化为本科实验教学开放性实验课的过程。通过以一维ZnO微米线为压电材料，制备一种基于单根微米线的压电应力传感器，该综合性实验包括ZnO微米线的生长与表征和器件的制备与测试分析等内容。该综合性实验方案，能够激发学生对专业知识的强烈学习兴趣，培养学生的创新意识和创新能力，大大地提高了实验教学效果。此外，通过将科研成果引入到本科实验教学当中，也为培养学生的科研能力奠定了基础。
作者:邱宇 赵宇 张莹莹 王晓娜 单位:大连理工大学