压力传感器作为触觉传感的核心部件,要求对机械力进行精确、稳定的探测和反馈,是人机交互系统发展的关键,在工业机器人、电子皮肤等领域应用广泛。因此,研究和设计高稳定性、高灵敏度的压力传感器是当前国际科研的热点。压力传感器与高速芯片、航空发动机等核心器件的制备一同被评为中国科技界亟待解决的35项卡脖子技术。其中,基于压电效应的压力传感器,因其具有压力经由压电材料快速转换为电信号的特性,具备无需外接电源供电的优点,成为研究领域最受关注压力传感器之一。压力经压电材料可以转换为电信号,通过电信号的检测实现压力传感,也可以结合材料的发光特性,利用其产生的压电信号原位激发压力发光的现象,通过光信号的检测实现压力传感。基于这两种信号模式,人们开发了压电式压力传感器和压光式压力传感器。传统的压电式压力传感器是通过体块压电材料实现压电转换,存在转化效率低、压力探测灵敏度差的缺点,通过微纳结构的压电材料可实现高效率压电响应,在动态微压力信号的测量方面表现突出优势,但是其电信号弱,对信号的检测提出了很高的要求。因此高效的弱电信号放大系统对提高传感器的灵敏度具有重要作用,但是信号放大系统的复杂性导致集成高转换效率的微纳结构压力传感单元和稳定的弱信号探测系统面临较大的难度。因此,设计和构建简单高效的信号放大系统是制备高灵敏压力传感器的关键,是发展便携式压力探测设备的基础。压光式压力传感器是利用压光材料将压力转换为光信号输出的传感器类型,其发光强度与压力大小在一定范围内存在线性关系,光信号的特殊性使其在触觉成像、应力分布等方面展现了重要的应用,并在信息安全相关领域发挥了重要的作用。压光效应是一个普遍存在的物理现象,目前所发现的无机压光材料均具有压电特性,因此其发光机理的关键步骤多被认为是压电电场的作用使被陷阱能级捕获的电荷载流子释放,但是对于发光过程的机理以及压电电场对陷阱能级的作用方式尚未形成公认的理论模型来解释。进一步研究压电电场调控下的压力发光过程和机理,在压光式压力传感器的开发和应用上具有重要意义。此外,针对发光光谱特性及微加工对材料的要求,探索高性能的新型压光材料,是批量化制备高性能的压光式压力传感器的材料基础。因此,本论文基于压电效应的力-电转化原理,通过构建高性能压电纳米阵列,结合高性能的弱电信号放大系统,实现了基于电信号测量压电式压力传感器的制备与应用;通过对压电电场调控压力发光现象的研究,探讨了压力发光的原理,提出并构建了集成式电场增强压力发光的压光式压力传感器;此外,针对压力发光存在的阈值高、亮度低、加工均匀性差等问题,开展了新型压光材料的探索性研究,并利用提拉法生长了大尺寸体块单晶材料用于压光式压力传感器的研究。主要研究内容和成果如下:(1)基于压电效应的力-电信号转换和场效应管的电信号检测,设计制备了高灵敏的压电式压力传感器:研究了氧化锌(ZnO)纳米柱在氧化铟锡(ITO)柔性导电基底上的成核与生长机制,利用水热合成法在柔性衬底上制备大面积的ZnO纳米柱阵列。利用压电力显微镜(PFM)、开尔文力显微镜(KPFM)等表征手段研究在ITO基底上的ZnO纳米柱阵列的压电性能。基于柔性基底上的ZnO纳米柱一维阵列的微纳结构,形成压电响应传感单元。研究了二维材料硒化铟(2D-InSe)所制备的场效应晶体管(FET)的电学性质,讨论了 FET的电信号放大功能,验证了所得2D-InSe基FET的电学特性和稳定性,获得了性能优良的电信号探测单位。基于压电电子学效应,集成ZnO压电纳米阵列与2D-InSe基FET器件,将ZnO纳米柱阵列的压电传感单元所产生的电信号用作调控InSe基FET的栅极电压,通过检测FET的源漏电流,实现对微弱压电信号的分析,进而实现对微小压力的检测。纳米阵列合成技术实现压电性能优良的压电材料制备,结合半导体微加工技术制备电信号放大的电学器件,最终获得高灵敏探测的压电式压力传感器,所得到的压力传感器可以探测到0.1 g的负载重量,即0.00098N的压力,同时对应0.22mV的压电转换形成的微弱电势。研究中所提出的压电信号产生单元与信号放大单元为分体式设计,既有利于实现柔性部分的可穿戴功能,又能避免电信号放大系统受到外力作用时影响信号输出的稳定性,该研究拓展了压电电子学的应用,在机器人、电子皮肤、可穿戴电子器件和物联传感方面具有重要的应用价值。(2)基于压光效应的力-光信号转换,设计制备了压力发光现象增强的压光式压力传感器:利用铜锰共掺硫化锌(ZnS:Cu,Mn)压光材料和聚偏氟乙烯(PVDF)透明压电薄膜,设计了三明治结构的柔性压光式压力传感器,利用非接触式的光信号定量探测系统,建立压光式压力传感器发光强度与受力大小的函数关系,确立压力探测的光谱学对应传感关系。通过研究ZnS材料的压电特性,讨论压光效应的产生机理,验证了 ZnS材料的压光效应来源于材料的本征压电效应为被陷阱能级捕获的束缚态载流子提供了驱动力,促进了载流子的释放与复合产生了压光效应这一观点。在此基础上,利用ZnS:Cu,Mn/PVDF的多层三明治结构,将PVDF所产生的压电电场施加在ZnS:Cu,Mn压光材料上,实现了显著的发光增强,引入PVDF层的压光式压力传感器比无PVDF层的器件的压力发光强度提高了约85%,实现了该压光式压力传感器对于压力探测灵敏度的提高,进一步证明了压光效应是在压电电场驱动下形成的束缚态载流子的释放与复合。这种力-电-光实时转化的压光式压力传感器,检测分辨率高、无须依靠外部电源供电,可以实现非接触式的信号探测,制备方法简便、成本低,在触觉成像、应力分布等领域具有广阔的应用。(3)开展了新型压光材料的探索性研究:采用固相反应法制备了掺镨铌酸锂(Pr:LiNb03)多晶颗粒,利用压电力显微镜对Pr:LiNb03多晶颗粒的压电信号进行了测试,结合光致发光测试等对压光材料掺杂发光中心进行研究,分析Pr:LiNb03多晶颗粒的压力发光机理,发现此材料通过365 nm紫外光预处理后,压力发光的波长为619 nm,且其压力发光的压力阈值很低。利用提拉法制备了大尺寸的Pr:LiNb03单晶,研究Pr:LiNbO3单晶材料的光致发光和压力发光性能,为探索新型压光材料提供了研究方向。研究为实现材料本征压力发光效率的提升,满足对发光光谱特性及微加工对材料的要求,提升压力探测灵敏度和器件稳定性,以及为批量制备高性能的压光式压力传感器提供材料基础。