用于触觉和生物信号监测的超柔性有机有源矩阵传感器片

据麦姆斯咨询报道，近日，日本大阪大学产业科学研究所（SANKEN）、大阪大学先进光子学与生物传感开放创新实验室（Advanced Photonics and Biosensing Open Innovation Laboratory, AIST-Osaka University）联合奥利地的一家研究机构共同开发了一款超柔性有机12 × 12有源矩阵传感器片，该传感器片是一种贴附于皮肤几乎无感的人工电子皮肤，其中的压电传感器和开关晶体管通过单片集成方式制作在仅1µm薄的聚合物衬底上。该传感矩阵是第一个将高空间分辨率与多路复用和超柔性相结合的触觉和生物信号监测矩阵。

图1 超柔性铁电有源矩阵传感器片作为一种无感的多参数传感电子皮肤

图1a为具有单个像素层堆叠的超柔性有机有源矩阵（AM）传感器片的设计示意图，图1b为处理后的超柔性有源矩阵传感器片的照片（左）和单个像素的详细视图（右），图1c为独立超薄有源矩阵传感器膜的照片（左）和其附着在人体皮肤上的照片（右），该传感器片形成一种增强型或电子传感器皮肤。

图2 超柔性铁电传感器片的性能

如图2a照片的插图所示，电容器状传感器结构包括夹在两个热蒸发的铝（Al）金属层之间的旋涂半结晶铁电共聚物聚（偏二氟乙烯:三氟乙烯）（P（VDF:TrFE）70:30）层。为了激活其铁电性能，研究人员向铁电层施加电场E，该电场必须大于其矫顽场Ec。该电极化步骤使晶畴对齐，并在整个样品体积中诱导宏观极化。

当铁电畴中的偶极子改变取向时，极化电流在矫顽场Ec附近达到峰值。图2d是直方图，图2e是传感器阵列中144个像素残余偏振的3D图。为了研究超柔性压电传感器的传感性能，研究人员进行了温度和机械应力测试。为此，传感器样品负载的梯形阶梯力，最大范围在0.15N至10N之间。

该有源矩阵传感器片由有机薄膜晶体管（OTFT）驱动，该晶体管与传感器集成在单个衬底上，如图1a所示。在传感器矩阵概念中，处理单个像素的电子元件由一个有机薄膜晶体管构成，该有机薄膜晶体管切换由源到地（source-to-ground）路径中的换能器像素生成的电流。由于压电/热电换能器在机械或热激励下自行产生电荷，因此不需要漏极电源电压。

图3 在1µm薄的聚对二甲苯薄膜上制造的12 × 12有源矩阵中的超柔性有机薄膜晶体管的典型电气特性

为了实现良好的传感器像素性能和矩阵运算，有机薄膜晶体管需满足以下要求：首先，在关断状态下，晶体管的关断电阻应该非常高，这样传感器电流就只流过传感器的内阻，而不经过有机薄膜晶体管；其次，晶体管的导通电阻应该很低，使得产生的大多数传感器电流流过晶体管通道，而不流过传感器的内阻；第三，导通开关晶体管所需的工作电压Vgs应该非常低，以使矩阵能够应用于节能、便携以及电池供电的无线设备。该有机薄膜晶体管都在低于3V的电压下工作（意味着Vthr（阈值电压）和Von（输出噪声电压）都小于 3V），因此可以由商用薄膜电池供电（一种常见的锂聚合物电池供电电压约为3.7V）。此外，有机薄膜晶体管表现出优异的机械稳定性。

图4 超柔性有源矩阵触觉传感器片

该超柔性有源矩阵传感器片包含12行12列，像素大小为3.8 mm × 2.9 mm，总有源传感面积为35 mm × 45 mm，并在1 µm薄的聚对二甲苯衬底上进行制作。使用无线数据采集模块操作的有源矩阵片的等效电路如图4a所示。

图5 人体无感的电子健康贴片

为了证明该超柔性传感器片在生物医学应用领域的潜力，研究人员在受试者桡动脉上方贴附了一个铁电传感器阵列，以监测其脉搏波的传播（见图5）。左上角的插图显示了电子健康贴片的方案，通过该贴片，附着在皮肤上的超柔性铁电传感器阵列感知受试者脉搏波及其传播信号。从这些生物信号中可提取人体心血管参数（心率、心率变异性、脉搏波速度、血压），从而确定人体心血管是否健康。铁电传感器监测桡动脉血流的潜力通过从两个贴附到手腕上的铁电传感器阵列中随机选择的传感器来证明。传感器像素S4和S2的脉搏波信号（图5右下插图）清楚地示出了脉搏波信号的传播。

综上所述，在这项研究工作中，研究人员展示了一种在聚合物衬底上制造的超柔性有源矩阵传感器片。通过基于DNTT或C10-DNTT有机半导体的有机薄膜晶体管实现了多刺激响应的有机铁电传感器像素的寻址。该传感器片的总厚度仅为2.8 µm，像素为12 × 12，每个像素3.8 mm x 2.9 mm。144个有机薄膜晶体管和传感器在整个矩阵上都具有显著的性能均匀性和高偏置应力稳定性功能。

研究人员还成功地展示了该超柔性有源矩阵传感器片的实时操作，该传感器片具有8 × 3像素的子集，用于检测不同的触摸模式（指尖敲击和滑动），没有任何串扰，空间分辨率为几毫米。该有源矩阵传感器片具有足够高的灵敏度和操作速度，可以监测到低生物信号，具有良好的时空分辨率。

审核编辑：刘清