電子皮膚觸覺傳感的原理及應用

熱電器件作為可持續(xù)能源轉化技術中重要一員，尚未在柔性電子領域展開廣泛應用，主要瓶頸來自于主流高性能無機半導體熱電材料柔性化困難，而有機基熱電材料性能普遍較低；雖然近期在有機/無機復合熱電材料性能提升上有所突破，但其器件結構多為平面型，通過較長的熱電臂在面內建立足夠溫差以實現(xiàn)輸出，這與面向電子皮膚應用中垂直于器件方向分布的熱流不匹配。因此，如何構筑基于有機熱電材料的面外型器件，并集成到柔性多功能電子器件中，成為一大挑戰(zhàn)；同時，實現(xiàn)電子皮膚對外界多種刺激信號的獨立響應依然是當前柔性傳感器件發(fā)展所面臨的難點。

北京時間8月31日，北京航空航天大學材料科學與工程學院王瑤、鄧元等在Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“Flexible 3D architectured Piezo/Thermoelectric Bimodal Tactile Sensor Array for E-Skin Application”的研究論文。論文報道了一種三維垂直結構的壓力/溫度二元觸覺傳感陣列電子皮膚，器件的全新結構設計和所基于的壓-電/熱-電能源轉化原理，賦予了電子皮膚壓力和溫度獨立響應、互無干擾及主動傳感的特點，且溫度響應迅速（0.37 s）、靈敏度高(109.4 μV/K)、在寬壓力范圍內（100 Pa-20 kPa）都保持高靈敏度；在高濕度環(huán)境、一定的拉伸/彎曲應變狀態(tài)下均能保持傳感功能，穩(wěn)定性、可靠性高。該研究為實現(xiàn)有機熱電材料在多功能電子皮膚的應用邁進了一步。 該電子皮膚基于全有機壓電P(VDF-TrFE)薄膜和熱電PANI基復合材料。為實現(xiàn)器件三維結構構筑，首先發(fā)展了基于PANI復合薄膜的三維體材料，再結合激光對壓電聚合物圖案化加工與絲網(wǎng)印刷電極工藝，實現(xiàn)了二元觸覺傳感陣列電子皮膚（圖1）。通過巧妙的電極連接設計，不但實現(xiàn)了器件集成，更實現(xiàn)了基于壓-電/熱-電能量轉化原理產(chǎn)生的電壓獨立輸出，有限元計算模擬了傳感器中溫場和電勢分布（圖2）。

圖1. 壓力/溫度二元傳感陣列電子皮膚的三維結構設計與集成工藝。(a) 激光加工結合絲網(wǎng)印刷工藝制備電子皮膚工藝流程圖；(b, c) 4?4傳感陣列結構示意圖及貼附于手背的電子皮膚實物圖。

圖2. 基于壓電、熱電效應的壓力/溫度傳感原理及有限元模擬 該電子皮膚在實際應用場景中展現(xiàn)出優(yōu)異的觸覺主動傳感功能，對壓力和溫度信號能準確辨別、互無干擾，且功能的實現(xiàn)均無需外加電源。例如，戴著貼有電子皮膚的手套觸摸一杯溫水，可實時監(jiān)測到與觸碰動作同步的壓力并感知水溫；同時，通過信號采集與電路編程在LED屏上初步驗證了人機交互功能 （圖3）。該4?4傳感器陣列的電子皮膚能準確分辨外界微弱刺激的空間分布，如質輕的泡沫放置壓力和人體體溫與環(huán)境的溫差（圖4）。本研究顯示出基于壓電/熱電三維結構的二元觸覺傳感陣列在電子皮膚應用的潛力。

圖3. 電子皮膚觸覺傳感的實際應用。(a) 脈搏波監(jiān)測；(b) 關節(jié)彎曲；(c) 發(fā)音；(d) 觸碰溫水杯動作中壓力和溫度信號獨立實時同步傳感；(e-f)人機交互初步應用

圖4. 傳感陣列對外界微小刺激的準確響應及空間分辨。(a-c)手指觸摸電子皮膚，在對應的傳感單元上同時輸出壓力和溫度信號；(d-f) 施加質輕物體如泡沫，所接觸的傳感單元輸出的壓力信號，此物體與環(huán)境沒有溫差因而表現(xiàn)出環(huán)境溫度。 北京航空航天大學材料學院王瑤副教授與鄧元教授為本文的共同通訊作者，北航材料學院博士生朱鵬程為本文第一作者，該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和北航青年拔尖人才計劃的資助，以及北航杭州創(chuàng)新研究院和北京市生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心的支持。