研究背景

同時獨立地進行壓力和溫度傳感對于創建復制人體皮膚復雜感覺功能的電子皮膚至關重要。帶有傳感器的薄膜晶體管 （TFT） 陣列實現了無串擾的空間傳感。然而，半導體中電荷傳輸的熱依賴性導致了熱刺激和壓力刺激之間的干擾。

創新點

浦項科技大學Sungjune Jung，Sanghoon Baek和蔚山科學技術研究所Hyunhyub Ko開發了基于有源矩陣的三維集成的多模態傳感器陣列，以獨立檢測溫度和壓力。我們的方法包括校準補償，以解耦溫度和壓力信號。單個像素器件由一個基于 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償基于 TFT 的壓力傳感器的熱效應。我們開發了大面積傳感器陣列，能夠準確檢測二維壓力和溫度，并利用這些技術來演示先進的機器人抓手。無論溫度如何，抓手都能穩定地抓取和舉起杯子，證明了它們在類似皮膚的電子應用中的可能性。

文章解析

圖1：多模態 3D 傳感器陣列的設計。（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 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 3D 傳感器的橫截面示意圖和 （D） 電路。（E） rGO/PVDF 微球結構的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺，25 μm。插圖：單個微球結構。比例尺，5 μm。（F） 3D 堆疊過程之前（左）和之后（右）半導體區域的光學顯微鏡圖像。

圖2：多模態 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關系。（H） 在加載和卸載循環期間，相對電流 （IP/IP0） 與施加的壓力的函數關系。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 逐漸增加的壓力負載的實時響應。（J） 底部基于 TFT 的溫度傳感器在 25°C 到 50°C 溫度升高時的傳輸特性。（K） 載流子遷移率和底部 TFT 的閾值電壓與環境溫度的關系。（L） 加熱和冷卻循環期間相對電流 （IT/IT0） 與環境溫度的函數關系。（M） 溫度傳感器對溫度從 25° 逐漸升高到 50°C 的實時響應。

圖3：校準補償，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關系。（B） 在各種壓力下，頂部壓力傳感器的相對電流與環境溫度的關系。（C） 校準補償后，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系。（D） IP 值隨溫度在 25° 至 50°C 之間的變化。（E） 作為溫度函數的導出壓力值和實際壓力值之間的差異。

圖4：用于空間測量的多模態 3D 傳感器陣列。（A） 10 x 10 多模態 3D 傳感器陣列的 3D 示意圖，其中兩個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 平臺和開關矩陣的定制陣列測量系統的照片。（C） 從壓力傳感有源矩陣測量的相對電流變化熱圖，無需補償。（D） 從溫度感應有源矩陣測量的相對電流變化熱圖，用于校準補償。（E） 從帶補償的壓力感應有源矩陣測量的相對電流變化的熱圖。

圖5：應用于機器人抓手。（A） 盛有熱水的杯子和配備多模態 3D 傳感器陣列的機器人抓手的照片。插圖：連接到柔性扁平電纜 （FFC） 的多模態 3D 傳感器陣列的后視圖，用于機器人演示。（B） 由反饋系統控制的機器人夾持器示意圖。（C） 從多模態傳感器陣列測量的實時壓力數據，無補償和有補償。抓手 （D） 失敗和 （E） 成功抬起熱杯的快照。從多模態傳感器陣列測量的 （F） 壓力和 （G） 溫度的時空讀數，并帶有校準補償。 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計的多模態傳感器陣列，用于壓力和溫度的精確空間測量，展示了卓越的刺激可區分性。每個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，表現出可靠的性能。我們的傳感器陣列有助于在單個點同時檢測溫度和壓力。為了解決對壓力讀數的不良熱效應，我們開發了一種校準補償方法，利用線性和一致的溫度靈敏度。這種補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，而不會產生信號失真。

【參考文獻】

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

審核編輯 黃宇