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、軟體機器人、可穿戴健康監(jiān)測設備、人機交互等新興領域有著廣泛的應用。隨著壓力傳感材料和微納加工技術的發(fā)展，使得單個柔性觸覺傳感器已經(jīng)具備高靈敏度、快速響應時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擾大、功耗高等問題在實現(xiàn)大面積、高集成度的觸覺傳感應用中仍然存在挑戰(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具有高空間分辨率、低串擾和低功耗的平臺，是實現(xiàn)高集成度觸覺傳感應用的有效途徑。基于此，西湖大學工學院朱博文團隊通過溶液法制備了具有優(yōu)良電學性能的柔性的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)動觸覺傳感器陣列（圖1）。相關研究發(fā)表在會議InternaTIonal Electron Devices MeeTIng上。西湖大學博士研究生唐穎捷為論文第一作者，西湖大學工學院特聘研究員朱博文為通訊作者，西湖大學為第一單位。

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

　　三、研究內(nèi)容：

　　當壓力施加在PPy/PDMS薄膜上時，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/恢復時間（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半導體層與SiO2介電層的接觸界面進行平坦化處理，實現(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，用于人機交互界面應用。通過對有源觸覺傳感器的壓力信號進行動態(tài)掃描讀取，可以將手指按壓動作的壓力分布在終端設備實現(xiàn)實時壓力分布成像。此外，還可以通過對壓力分布信號進行處理和分析，從而實現(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交互界面中的應用

　　四、結(jié)論與展望：

　　這項工作為開發(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，可用于下一代可穿戴人機交互界面。

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