有源驱动触觉传感器阵列分析

一、研究背景：

柔性触觉传感器能够模拟人类的触觉感知，在电子皮肤、软体机器人、可穿戴健康监测设备、人机交互等新兴领域有着广泛的应用。随着压力传感材料和微纳加工技术的发展，使得单个柔性触觉传感器已经具备高灵敏度、快速响应时间和超低检测极限等优异的性能。然而，传统的无源（passive）触觉传感器阵列因其信号串扰大、功耗高等问题在实现大面积、高集成度的触觉传感应用中仍然存在挑战。

二、文章简介：

与无源阵列相比，基于晶体管的有源阵列（Active-matrix）为触觉传感器提供了一个具有高空间分辨率、低串扰和低功耗的平台，是实现高集成度触觉传感应用的有效途径。基于此，西湖大学工学院朱博文团队通过溶液法制备了具有优良电学性能的柔性的In2O3薄膜晶体管阵列，并将其与具有金字塔微结构的聚吡咯/聚二甲基硅氧烷（PPy/PDMS）电阻式压力响应层单片集成，来构建大面积（2 cm × 2 cm）、高密度（10 pixels × 10 pixels）的有源驱动触觉传感器阵列（图1）。相关研究发表在会议International Electron Devices Meeting上。西湖大学博士研究生唐颖捷为论文第一作者，西湖大学工学院特聘研究员朱博文为通讯作者，西湖大学为第一单位。

图1 溶液法制备的In2O3薄膜晶体管阵列和PPy/PDMS压力响应层的单片集成

三、研究内容：

当压力施加在PPy/PDMS薄膜上时，由于金字塔微结构的形变，PPy/PDMS薄膜与电极之间的接触电阻会降低。通过优化PPy/PDMS薄膜的微结构和制备工艺，可以使得压力传感器在小压力范围（< 1 kPa）下具有明显的电阻变化和高的灵敏度（845.9 kPa⁻¹）。即使在微弱的压力下（360 Pa），也具有快速的响应/恢复时间（21/16 ms）和良好的稳定性（图2）。

图2 基于金字塔微结构的触觉传感器性能

此外，通过对In2O3半导体层与SiO2介电层的接触界面进行平坦化处理，实现了具有良好均一性的In2O3薄膜晶体管阵列。In2O3薄膜晶体管阵列采用无色聚酰亚胺薄膜作为基底、SiO2作为介电层、ITO作为电极，因此器件在可见光范围内具有较高的透明度（图3）。有源驱动触觉传感器阵列由In2O3薄膜晶体管与电阻式压力传感器串联组成（1T-1R），串联后的有源压力传感器在晶体管开启的情况下（VGS=30 V, VDS=20 V）在低压力范围（< 1 kPa）仍具有高的灵敏度(29.9 kPa⁻¹)。

图3 有源触觉传感阵列性能

基于In2O3薄膜晶体管与PPy/PDMS薄膜集成的具有柔性、透明特点的有源触觉传感器阵列可以贴附在人的皮肤表面，用于人机交互界面应用。通过对有源触觉传感器的压力信号进行动态扫描读取，可以将手指按压动作的压力分布在终端设备实现实时压力分布成像。此外，还可以通过对压力分布信号进行处理和分析，从而实现对俄罗斯方块游戏的无线控制功能（图4）。

图4 有源触觉传感阵列在压力分布成像和人机交互界面中的应用

四、结论与展望：

这项工作为开发高性能有源触觉传感阵列提供了有效途径，该器件具有低成本、高灵敏度、高集成度等特点，可用于下一代可穿戴人机交互界面。

编辑：黄飞