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展，使得單個柔性觸覺傳感器已經具備高靈敏度、快速響應時間和超低檢測極限等優異的性能。然而，傳統的無源（passive）觸覺傳感器陣列因其信號串擾大、功耗高等問題在實現大面積、高集成度的觸覺傳感應用中仍然存在挑戰。

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構的聚吡咯/聚二甲基硅氧烷（PPy/PDMS）電阻式壓力響應層單片集成，來構建大面積（2 cm × 2 cm）、高密度（10 pixels × 10 pixels）的有源驅動觸覺傳感器陣列（圖1）。相關研究發表在會議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、研究內容：

當壓力施加在PPy/PDMS薄膜上時，由于金字塔微結構的形變，PPy/PDMS薄膜與電極之間的接觸電阻會降低。通過優化PPy/PDMS薄膜的微結構和制備工藝，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）和良好的穩定性（圖2）。

圖2 基于金字塔微結構的觸覺傳感器性能

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具有較高的透明度（圖3）。有源驅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組成（1T-1R），串聯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、結論與展望：

這項工作為開發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。

編輯：黃飛

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