研究用于獨(dú)立檢測壓力和溫度的3D主動矩陣多模態(tài)傳感器陣列

研究背景

同時(shí)獨(dú)立地進(jìn)行壓力和溫度傳感對于創(chuàng)建復(fù)制人體皮膚復(fù)雜感覺功能的電子皮膚至關(guān)重要。帶有傳感器的薄膜晶體管 （TFT） 陣列實(shí)現(xiàn)了無串?dāng)_的空間傳感。然而，半導(dǎo)體中電荷傳輸?shù)臒嵋蕾囆詫?dǎo)致了熱刺激和壓力刺激之間的干擾。

創(chuàng)新點(diǎn)

浦項(xiàng)科技大學(xué)Sungjune Jung，Sanghoon Baek和蔚山科學(xué)技術(shù)研究所Hyunhyub Ko開發(fā)了基于有源矩陣的三維集成的多模態(tài)傳感器陣列，以獨(dú)立檢測溫度和壓力。我們的方法包括校準(zhǔn)補(bǔ)償，以解耦溫度和壓力信號。單個(gè)像素器件由一個(gè)基于 TFT 的壓力傳感器組成，該傳感器位于基于 TFT 的溫度傳感器之上。檢測到的溫度用于補(bǔ)償基于 TFT 的壓力傳感器的熱效應(yīng)。我們開發(fā)了大面積傳感器陣列，能夠準(zhǔn)確檢測二維壓力和溫度，并利用這些技術(shù)來演示先進(jìn)的機(jī)器人抓手。無論溫度如何，抓手都能穩(wěn)定地抓取和舉起杯子，證明了它們在類似皮膚的電子應(yīng)用中的可能性。

文章解析

圖1：多模態(tài) 3D 傳感器陣列的設(shè)計(jì)。（A） 由壓力傳感有源矩陣和溫度傳感有源矩陣組成的 10 x 10 多模態(tài) 3D 傳感器陣列的 3D 示意圖。（B） 在超薄襯底上制造的 10 x 10 3D 堆疊有源基體的照片。比例尺，1 cm。（C） 多模態(tài) 3D 傳感器的橫截面示意圖和 （D） 電路。（E） rGO/PVDF 微球結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺，25 μm。插圖：單個(gè)微球結(jié)構(gòu)。比例尺，5 μm。（F） 3D 堆疊過程之前（左）和之后（右）半導(dǎo)體區(qū)域的光學(xué)顯微鏡圖像。

圖2：多模態(tài) 3D 傳感器的電氣特性。（A） 頂部 TFT 制造過程前后底部 TFT 的典型轉(zhuǎn)移特性。（B） 25 對底部和頂部 TFT 的傳輸特性。從傳輸特性 （n = 25） 中提取的 （C） 載流子遷移率 （μ）、（D） 閾值電壓 （VTH） 和 （E） 亞閾值斜率 （SS） 的直方圖。（F） 頂部基于 TFT 的壓力傳感器在 0 至 20 kPa 壓力增加時(shí)的傳輸特性。（G） 頂部 TFT 的漏極電流 （IP） 和壓阻片的電阻與施加的壓力呈函數(shù)關(guān)系。（H） 在加載和卸載循環(huán)期間，相對電流 （IP/IP0） 與施加的壓力的函數(shù)關(guān)系。插圖：放大的 IP/IP0-P 曲線介于 0 和 0.9 kPa 之間。（I） 壓力傳感器對從 0 到 20 kPa 逐漸增加的壓力負(fù)載的實(shí)時(shí)響應(yīng)。（J） 底部基于 TFT 的溫度傳感器在 25°C 到 50°C 溫度升高時(shí)的傳輸特性。（K） 載流子遷移率和底部 TFT 的閾值電壓與環(huán)境溫度的關(guān)系。（L） 加熱和冷卻循環(huán)期間相對電流 （IT/IT0） 與環(huán)境溫度的函數(shù)關(guān)系。（M） 溫度傳感器對溫度從 25° 逐漸升高到 50°C 的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

圖3：校準(zhǔn)補(bǔ)償，不受溫度影響的壓力檢測。（A） 頂部壓力傳感器的相對電流與各種溫度下施加的壓力的函數(shù)關(guān)系。（B） 在各種壓力下，頂部壓力傳感器的相對電流與環(huán)境溫度的關(guān)系。（C） 校準(zhǔn)補(bǔ)償后，頂部壓力傳感器在不同溫度下的相對電流與施加壓力的關(guān)系。（D） IP 值隨溫度在 25° 至 50°C 之間的變化。（E） 作為溫度函數(shù)的導(dǎo)出壓力值和實(shí)際壓力值之間的差異。

圖4：用于空間測量的多模態(tài) 3D 傳感器陣列。（A） 10 x 10 多模態(tài) 3D 傳感器陣列的 3D 示意圖，其中兩個(gè)物體重量相同但溫度不同（25° 和 50°C）。插圖：放大的 3D 示意圖，顯示了熱物體引起的變形和熱傳遞。（B） 基于 National Instruments PXI 平臺和開關(guān)矩陣的定制陣列測量系統(tǒng)的照片。（C） 從壓力傳感有源矩陣測量的相對電流變化熱圖，無需補(bǔ)償。（D） 從溫度感應(yīng)有源矩陣測量的相對電流變化熱圖，用于校準(zhǔn)補(bǔ)償。（E） 從帶補(bǔ)償?shù)膲毫Ω袘?yīng)有源矩陣測量的相對電流變化的熱圖。

圖5：應(yīng)用于機(jī)器人抓手。（A） 盛有熱水的杯子和配備多模態(tài) 3D 傳感器陣列的機(jī)器人抓手的照片。插圖：連接到柔性扁平電纜 （FFC） 的多模態(tài) 3D 傳感器陣列的后視圖，用于機(jī)器人演示。（B） 由反饋系統(tǒng)控制的機(jī)器人夾持器示意圖。（C） 從多模態(tài)傳感器陣列測量的實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)，無補(bǔ)償和有補(bǔ)償。抓手 （D） 失敗和 （E） 成功抬起熱杯的快照。從多模態(tài)傳感器陣列測量的 （F） 壓力和 （G） 溫度的時(shí)空讀數(shù)，并帶有校準(zhǔn)補(bǔ)償。 讀后感 作者提出了一種使用 3D 晶體管對晶體管有源矩陣設(shè)計(jì)的多模態(tài)傳感器陣列，用于壓力和溫度的精確空間測量，展示了卓越的刺激可區(qū)分性。每個(gè)傳感器像素由集成在高靈敏度壓阻片材上的單片堆疊 3D TFT 組成，表現(xiàn)出可靠的性能。我們的傳感器陣列有助于在單個(gè)點(diǎn)同時(shí)檢測溫度和壓力。為了解決對壓力讀數(shù)的不良熱效應(yīng)，我們開發(fā)了一種校準(zhǔn)補(bǔ)償方法，利用線性和一致的溫度靈敏度。這種補(bǔ)償過程顯著減輕了溫度引起的誤差，使傳感器陣列能夠測量壓力和溫度的空間分布，而不會產(chǎn)生信號失真。

【參考文獻(xiàn)】

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.ads4516

審核編輯 黃宇