【材料】仿生压力传感神经系统的构建:金字塔压力传感器+Nafion忆阻器

科技工作者之家 2019-06-04

来源:X一MOL资讯

谈到压力,很多人都会发出“宝宝压力好大”的感慨,它生动的描绘了人们的精神感受。从仿生电子器件的角度,目前尚未能实现精神“压力”的模拟,而在生理“压力”传感系统的模拟方面,研究者们已经取得了可喜的进展。近日,深圳大学韩素婷副教授和周晔研究员通过将高灵敏度压阻式传感器与新型Nafion基质子传导忆阻器有机结合,首次实现了基于两端器件的仿生压力传感系统的构建。

随着柔性电子和人工智能技术的不断发展,可穿戴设备的基础性能、集成功能等均得到飞速提升。作为物联网的核心组件之一,仿生压力传感系统在电子皮肤、智能假肢、人体健康监测等领域有广阔的应用前景。类似于人体的触觉传感神经系统,仿生压力传感系统通常由压力传感器、信号传递网络和人工神经突触组成。在这项工作中,以上三部分分别由金字塔微结构压阻式传感器、导线系统和Nafion基忆阻器组成。

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一方面,该工作通过巧妙封装压阻式传感器的导线,使之具有垫片的作用,显著降低了关态电流;通过引入具有金字塔微结构的聚二甲基硅氧烷,并在其上蒸镀连续的金膜,获得了较高的开态电流,从而获得了较高的压力传感灵敏度(6.7x10kPa-1,1-5 kPa;3.8x10kPa-1,5-50 kPa)。同时,所制备的压力传感器显示了良好的均一性和稳定性(>7000 次循环)。

另一方面,该工作首次引入忆阻器进行人工压力神经信号的模拟,以解决场效应晶体管所引起的复杂的电路结构及高能耗问题,并为高效、高密度的规模化器件生产提供依据。该工作通过调变Nafion膜的制备,实现电场力和质子浓度梯度对膜内质子传导的协同调节,并进行基本突触功能的模拟,且器件具有低功耗(10-200 pJ)、高稳定性(万次擦写)等优点。通过导电原子力显微镜(CAFM)和电化学阻抗谱(EIS)等表征,该团队进一步分析得出,器件的忆阻性能可能跟Nafion膜的亲、疏水区域的结构有关,并验证了器件微型化的可行性。

通过将以上两元器件进行连接和封装,该工作实现了仿生压力传感系统的构建。相对于普通压力传感器,该仿生压力传感系统能够对压力信号进行时间分辨率的识别,包括压力的次数、频率、持续时间、速度等。且经过多组数据训练,该系统初步实现对手写英文字母的高准确率识别(> 91.7%)。

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这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上,文章的第一作者是深圳大学张晨博士。


Bioinspired Artificial Sensory Nerve Based on Nafion Memristor

Chen Zhang, Wen Bin Ye, Kui Zhou, Hong-Ye Chen, Jia-Qin Yang, Guanglong Ding, Xiaoli Chen, Ye Zhou, Li Zhou, Fengjiao Li, Su-Ting Han

Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1808783, DOI: 10.1002/adfm.201808783


来源:X-molNews X一MOL资讯

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