如何让机器人的电子皮肤，像人类一样感知触觉？

第一作者：Jian Wang、Jianfeng Jiang

通讯作者：Congcong Zhang、Dehui Sun、Hong Liu

通讯单位：济南大学前沿交叉科学研究院

研究亮点：

1.压电能量作为栅电压来驱动OFET实现节能。OFET利用信号放大功能来提高器件的灵敏度。

2.基于并五苯有机场效应晶体管和PVDF纳米棒阵列的压电式触觉传感器不仅可以定量检测不同砝码的质量(10-200g)，还可以实时灵活检测人体手腕的弯曲角度(0-90)。

3.柔性微阵列压电单元与柔性信号放大单元的集成，以其便携性、高能效和全柔性的特点，在人机交互和可穿戴设备领域发挥着重要作用。

研究背景：

目前商业化的机器人系统缺乏触觉感知功能，无法实现真正的智能化应用。机器人智能电子皮肤是利用新材料、微机电和传感器等技术开发的能够模仿人体皮肤保护、感知等功能的柔性电子系统，是实现机器人触觉功能的重要途径。针对压电传感器灵敏度高但压电纳米材料的力-电转换信号微弱，容易湮没在噪声中的瓶颈问题，济南大学刘宏教授团队通过纳米尺度柔性压电传感原理和材料的设计，借助FET器件对压电信号的耦合增强力-电转换信号，获得高灵敏度的压电型压力传感单元。压电材料介导的力-电转换效应是实现压力传感的基础，以纳米棒为基础的压电材料的力-电转换效应与传统意义的压电响应明显不同，纳米尺度引入的纵向柔性特征，使得压电响应信号来源多样化和协同化。借此研究了压电放电对FET半导体输运性能的影响，通过对FET栅极电压的调控，实现了对纳米棒阵列力-电耦合效应的放大机制的掌握，并对压力测试 极限、灵敏度、FET 放大倍数等进行深入研究。

图文导读：

为了获得具有高机电转换功能的柔性信号输入单元，我们以AAO模板辅助采用热压法获得了一种典型的有机压电材料β-PVDF纳米棒阵列。纳米尺度引入的纵向柔性特征，使得压电响应信号进一步增强。

图1: PVDF压电元件的结构

为了实现信号的放大功能和改善传感器信号的输出，我们制作了一种精密的底栅顶电极OFET器件作为信号输出终端并测试了其电学传输性能。

 图2：作为信号放大单元的并五苯晶体管的构造

 图3：作为信号放大单元的并五苯晶体管的电学传输特性

利用信号输入和输出组件的优良优点，通过连接PVDF压电单元和OFET的源电极和栅电极，集成了基于压电效应的高灵敏度、低功耗的触觉传感器。由于通过压力产生的电信号作为栅电压，足以打开OFET，所以微小的压力变化会引起输出电流的明显变化，不需要额外的栅电压信号输入。

 图4：并五苯压电晶体管的工作机理

为了证明所制备的压电式传感器具有良好的传感性能，在没有栅压的情况下，采用不同重量(10- 200 g)的压电式传感器作为输入压力。正如预期的那样，PVDF纳米棒阵列的形变随着重量的增加而增加，从而导致了极化电压作为栅电压的增加，最终导致输出源漏极电流信号呈线性增加。

图5：并五苯压电晶体管的性能测试

虽然OFET信号放大式压电压力传感器具有良好的传感性能，但由于OFET器件是建立在硅基板上，实现其柔性很困难。因此，利用有机半导体在任何基底上良好的加工性能，制作了具有全柔性OFET信号放大的压电压力传感器。

图6：柔性压电晶体管的性能测试

结论：

本研究有望解决触觉传感器灵敏度、可靠性、 稳定性、批量制备、等关键科学问题与技术瓶颈，为机器人系统提供智能化的电子皮肤，为应用示范提供理论基础与技术支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105050

作者简介：

王建，2018年毕业于济南大学，获学士学位。目前在济南大学前沿交叉科学研究院 (IAIR)刘宏教授领导的小组攻读硕士学位。主要从事柔性压力传感器的制造和应用，以及场效应晶体管器件的组装。

姜健峰，山东大学微电子学院硕士生。自2020年起，他在北京大学电子系攻读博士学位。目前主要研究领域为基于低维半导体材料的高性能场效应晶体管和逻辑电路、生物传感器和压电传感器等。

张丛丛，2017年获天津大学理学院化学系博士学位。随后，她在济南大学前沿交叉研究所担任讲师。她的兴趣是分子电子学，高功能超分子纳米组装和基于FETs的生物传感器。Ifc_zhangcc@ujn.edu.cn

孙德辉，济南大学前沿交叉科学研究院讲师。2015年获得山东大学晶体材料国家重点实验室博士学位。他的研究主要集中在晶体生长和结构分析方面，特别是对非线性晶体和电光晶体。

刘宏，济南大学前沿交叉研究院院长，山东大学晶体材料国家重点实验室教授。2001年获山东大学博士学位。目前主要研究方向为组织工程、纳米材料和纳米器件，特别是纳米材料和纳米器件在气体和生物传感器、环境保护、新能源等领域的应用。hongliu@sdu.edu.cn