有源驅(qū)動(dòng)觸覺傳感器陣列分析

一、研究背景：

柔性觸覺傳感器能夠模擬人類的觸覺感知，在電子皮膚、軟體機(jī)器人、可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備、人機(jī)交互等新興領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著壓力傳感材料和微納加工技術(shù)的發(fā)展，使得單個(gè)柔性觸覺傳感器已經(jīng)具備高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間和超低檢測極限等優(yōu)異的性能。然而，傳統(tǒng)的無源（passive）觸覺傳感器陣列因其信號串?dāng)_大、功耗高等問題在實(shí)現(xiàn)大面積、高集成度的觸覺傳感應(yīng)用中仍然存在挑戰(zhàn)。

二、文章簡介：

與無源陣列相比，基于晶體管的有源陣列（Active-matrix）為觸覺傳感器提供了一個(gè)具有高空間分辨率、低串?dāng)_和低功耗的平臺，是實(shí)現(xiàn)高集成度觸覺傳感應(yīng)用的有效途徑?；诖耍骱髮W(xué)工學(xué)院朱博文團(tuán)隊(duì)通過溶液法制備了具有優(yōu)良電學(xué)性能的柔性的In2O3薄膜晶體管陣列，并將其與具有金字塔微結(jié)構(gòu)的聚吡咯/聚二甲基硅氧烷（PPy/PDMS）電阻式壓力響應(yīng)層單片集成，來構(gòu)建大面積（2 cm × 2 cm）、高密度（10 pixels × 10 pixels）的有源驅(qū)動(dòng)觸覺傳感器陣列（圖1）。相關(guān)研究發(fā)表在會(huì)議International Electron Devices Meeting上。西湖大學(xué)博士研究生唐穎捷為論文第一作者，西湖大學(xué)工學(xué)院特聘研究員朱博文為通訊作者，西湖大學(xué)為第一單位。

圖1 溶液法制備的In2O3薄膜晶體管陣列和PPy/PDMS壓力響應(yīng)層的單片集成

三、研究內(nèi)容：

當(dāng)壓力施加在PPy/PDMS薄膜上時(shí)，由于金字塔微結(jié)構(gòu)的形變，PPy/PDMS薄膜與電極之間的接觸電阻會(huì)降低。通過優(yōu)化PPy/PDMS薄膜的微結(jié)構(gòu)和制備工藝，可以使得壓力傳感器在小壓力范圍（< 1 kPa）下具有明顯的電阻變化和高的靈敏度（845.9 kPa?1）。即使在微弱的壓力下（360 Pa），也具有快速的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（21/16 ms）和良好的穩(wěn)定性（圖2）。

圖2 基于金字塔微結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器性能

此外，通過對In2O3半導(dǎo)體層與SiO2介電層的接觸界面進(jìn)行平坦化處理，實(shí)現(xiàn)了具有良好均一性的In2O3薄膜晶體管陣列。In2O3薄膜晶體管陣列采用無色聚酰亞胺薄膜作為基底、SiO2作為介電層、ITO作為電極，因此器件在可見光范圍內(nèi)具有較高的透明度（圖3）。有源驅(qū)動(dòng)觸覺傳感器陣列由In2O3薄膜晶體管與電阻式壓力傳感器串聯(lián)組成（1T-1R），串聯(lián)后的有源壓力傳感器在晶體管開啟的情況下（VGS=30 V, VDS=20 V）在低壓力范圍（< 1 kPa）仍具有高的靈敏度(29.9 kPa?1)。

圖3?有源觸覺傳感陣列性能

基于In2O3薄膜晶體管與PPy/PDMS薄膜集成的具有柔性、透明特點(diǎn)的有源觸覺傳感器陣列可以貼附在人的皮膚表面，用于人機(jī)交互界面應(yīng)用。通過對有源觸覺傳感器的壓力信號進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描讀取，可以將手指按壓動(dòng)作的壓力分布在終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)壓力分布成像。此外，還可以通過對壓力分布信號進(jìn)行處理和分析，從而實(shí)現(xiàn)對俄羅斯方塊游戲的無線控制功能（圖4）。

圖4 有源觸覺傳感陣列在壓力分布成像和人機(jī)交互界面中的應(yīng)用

四、結(jié)論與展望：

這項(xiàng)工作為開發(fā)高性能有源觸覺傳感陣列提供了有效途徑，該器件具有低成本、高靈敏度、高集成度等特點(diǎn)，可用于下一代可穿戴人機(jī)交互界面。

編輯：黃飛

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