目標信息的高精度識別為機器在復雜環境中的感知和反應提供了重要支撐。目前，智能傳感器多采用多功能和高密度集成的方式以獲取更加精確、豐富的多維信息。然而，大多數多功能集成的傳感集成器件多采用平面集成。這種布局方式忽略了不同位置之間的差異性，會導致這些傳感集成器件收集的信息出現一定程度的時空誤差，無法做到原位多維信息識別，進而影響信息識別的準確性。此外，隨著傳感器件多信息采集的集成度提升，生成的數據量呈爆炸式增長，給數據傳輸組件帶來了巨大的壓力。

為了解決這一問題，中國科學院半導體所王麗麗研究員團隊借鑒中樞神經系統的信息處理方式，提出同時一種基于Te的3D垂直異構布局多模傳感器的同時空多信號并行傳輸系統（HMPTs），實現了多信號無時空錯位識別和高效并行傳輸(圖1)。該系統進行了多功能傳感單元的分布優化，完成了四個傳感單元的三維垂直異構布局，實現了單個空間位點的多維度信息檢測。此外，該系統可耦合并傳輸多個傳感信號，與單通道單一傳輸系統相比，傳輸效率提高了4倍，功耗降低了1/3。

圖1：同位多信號并行傳輸系統（HMPTs）。（a）人體中樞神經系統的同位感知和多信號并行傳遞策略。（b）同位多信號并行傳輸系統。（c）時域和頻域中的方波示意圖。（d）VR中混合材料塊的材料屬性重建。

作為機器獲取數據的窗口，傳感器件的精度在一定程度上決定了外部物理信號獲取的準確性。為了實現高精度的、無時空錯位的信號采集，研究人員選擇了四種高性能傳感單元，用于收集溫度、濕度、壓力和光這四種信息（圖2）。若采用平鋪集成架構，多功能集成傳感器依舊無法實時正確表示給定空間位置的所有數據。為此，研究人員者充分考慮傳感信號的特性以及傳感器件的工作機制，設計了四種傳感單元的3維垂直異構布局。這種布局方式既保證了四種傳感單元垂直集成于同一空間坐標，又避免了四種信號的相互干擾，實現了對同一空間位點多維信息的實時連續檢測。性能表征也證明表明傳感器具有優異的響應特性，其中，濕度傳感在小范圍變化下便可實現3個量級的電信號變化，光傳感的響應度可達52500 A/W，溫度傳感探測率為 0.57 Ω /℃，壓力傳感的靈敏度達24.7 kPa?1。為提高多信號傳輸效率，研究人員將通過傳感器件獲取的電信號進行了幅頻轉化，得到的各種頻率的方波信號。隨后，通過多個波形的耦合疊加，更好地利用單信道的帶寬，避免大量使用單信道帶來的傳輸壓力。結果表明四種信號在并行傳輸中相互之間沒有明顯的干擾（圖2）。

圖2：HMPTs中的多信號感知和耦合。（a）HMPTs不同模塊中信息轉換的示意圖。（b）HMS中傳感單元的內部電阻和外部物理變量的函數關系，外部物理變量包含濕度、光強度、溫度和壓力。（c） 在分壓器電路中，輸出電壓與參考電阻和傳感器的內阻的關系。（d）不同傳感信息在頻譜上的分布區間。H 表示相應傳感器的高電阻狀態，而 L 表示低電阻狀態。（e） 左：發生器輸出的方波，當光傳感在不同的光強度下。右：由左側方波傅里葉變換得到的頻域信號。（f）在 25 °C，單個溫度傳感生成的信號頻譜。（g）在 25 °C且無外應力下，不同濕度下耦合三種信號的頻域信息對比。（h） 在 25 °C 且無外應力下，不同光強度下耦合四種信號的頻域信息比較。 系統的信號傳輸特性表征表明，相同硬件水平下，HMPTs的傳輸效率是單一信號傳輸的4倍，而功耗只有其1/3（圖3）。此外，HMPTs信噪比為44.827 dB，與單一信號傳輸系統的信噪比（46.334 dB）相當，說明信號耦合對信號質量影響較小，也說明方式的可拓展性。 圖3：HMPTs 的傳輸特性。（a）HMPTs 的光學照片。（b）HMPTs 示意圖。（c）多信號并行傳輸的輸出波形。并行傳輸和單一傳輸之間的輸出數據比較。（d）并行傳輸與單一傳輸的效率對比。（e）功耗與集成傳感單元數量的函數關系。（f）并行傳輸和單一傳輸的信噪比比較。? 本研究制作了由干燥的鋁塊、背部激光照射的PDMS和浸潤的木頭組成混合材質塊，作為實驗驗證的材料模型。圖4所示的信號采集結果表明，平鋪布局的多功能傳感器所獲取的四維信號之間存在5 mm的偏移，對應傳感單元的平面分布距離。而采用3D垂直異構布局的HMPTs輸出信號沒有明顯的偏差。 圖4：無時空誤差的混合材料識別。（a）混合材料塊，由干鋁、中間的激光照明 PDMS 和濕木組成。左圖和右圖分別顯示了 HMS和平鋪多功能傳感器的傳感單元分布。兩組傳感系統從點 0-14 收集信息，共 15個點。點之間的距離為0.25 mm。分別由（b）HMPTs 和（c）平鋪多功能傳感系統獲得的初始位置的時域和頻域信息。通過（d）HMPTs 和（e）平鋪多功能傳感系統收集每個點的混合材料信息。（f）本研究與以前研究之間的空間誤差比較。 本研究還構建了接觸物體和VR交互的場景，作為HMPTs的功能性驗證。如圖5所示，四種維度的信息可以用于傳感系統判斷與物體的接觸狀態，顯示其在指導機器人完成對物體的觸摸動作的應用價值。當器件接觸物體后，HMPTs獲取了豐富的材料信息。配合陀螺儀的輔助定位，HMPTs將真實的材質信息參數化，完成了VR空間中3D混合材料的重建過程，豐富了人機交互中VR 空間構建的方法。 圖5：基于HMPTs的VR交互。（a）VR交互的流程圖。（b）使用HMPTs進行接觸姿態監測。第一張圖片是不同接觸狀態的照片，即Away、Close和Contacted。第二張圖片是在HMS與濕木材接觸期間，HMPTs記錄了4個傳感器信號。（c）用于接觸姿態監測的HMPTs用戶界面。（d）根據HMPTs捕獲的數值特征用于VR中的材質構建。（e）VR中混合材質構建的對比和（f）三種系統之間的特性比較。三種系統分別基于HMPTs、基于單一傳輸的HMS和基于單一傳輸的平鋪傳感集成。在VR 中重建3D混合材質塊，（g）x 軸，（h）z 軸，（i）y 軸。 小結 本研究受中樞神經系統的啟發，提出了同為多傳感并行傳輸系統（HMPTs），實現了多信號無時空錯位識別和高效的并行傳輸。首先，3D垂直異構布局規避了多功能器件平面級聯分布引起的信號時空偏差。其次，基于多信號并行傳輸的HMPT與同一系統的單通道傳輸相比，效率提高了4 倍，功耗降低了2/3，這說明了在傳感端并行傳輸多個信號的巨大潛力。最終，該系統被用于識別混合材料，并作為人機交互窗口實現VR中的材質重構，證實了該系統在實際應用中的可行性。這一工作為提高機器感知精度、提高信息傳輸效率提供了經驗參考。 該項目研究獲得國家自然科學基金、中國科學院等項目的資助。相關工作以“3D Heterogeneous Sensing System for Multimode Parrallel Signal No-Spatiotemporal Misalignment Recognition”為題發表在《Advanced Materials》上。

審核編輯 黃宇