CN106608612B - 主动式触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种主动式触觉传感器。该主动式触觉传感器包括：绝缘基底；以及设置于绝缘基底上的若干个传感单元。其中，每一传感单元包括：设置于绝缘基底的正面的接触分离式的摩擦纳米发电机；以及设置于绝缘基底的背面，与摩擦纳米发电机相对设置的薄膜晶体管。其中，摩擦纳米发电机通过填充于绝缘基底上过孔内的导电材料与薄膜晶体管的栅极电性连接，该传感单元的传感信号由薄膜晶体管的源极和漏极之间流过的电流实现。本发明制备工艺简单，选材广泛，成本低廉，能够满足大规模商业化的需求，具有较强的推广应用价值。

Description

主动式触觉传感器

技术领域

本发明涉及摩擦电子学和传感器技术领域，尤其涉及一种主动式触觉传感器。

背景技术

在过去一段时间里，主动式触觉传感系统由于其自身具有的可模仿触觉功能的传感特性，获得了持续而广泛的关注，被广泛应用于智能可穿戴设备、人机交互界面和实时医疗健康监测领域。触觉传感器是整个主动式触觉传感系统中的核心部件，许多的原理都被用来制备这种触觉传感器。

虽然现在已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但大都属于实验室阶段，并且通常利用到了成本很高的纳米材料、复杂的真空制备技术和繁琐的光刻手段。想要大规模地制备商业化的触觉传感系统仍然是一个难题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种制备工艺简单，选材广泛，成本低廉的主动式触觉传感器。

(二)技术方案

本发明主动式触觉传感器包括：绝缘基底；以及设置于所述绝缘基底上的若干个传感单元。其中，每一传感单元包括：设置于所述绝缘基底的正面的接触分离式的摩擦纳米发电机；以及设置于所述绝缘基底的背面，与所述摩擦纳米发电机相对设置的薄膜晶体管。其中，所述摩擦纳米发电机通过填充于所述绝缘基底上过孔内的导电材料与薄膜晶体管的栅极电性连接，该传感单元的传感信号由薄膜晶体管的源极和漏极之间流过的电流实现。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明主动式触觉传感器至少具有以下有益效果其中之一：

(1)制备工艺简单，选材广泛，成本低廉，能够满足大规模商业化的需求；

(2)利用接触分离式摩擦纳米发电机对每个传感单元实现独立式和主动式调控，可用于多点触觉传感、运动监测和轨迹追踪；

(3)对外刺激具有很好的灵敏度和响应时间，非常适合在智能可穿戴设备、人机交互界面和实时医疗健康监测领域推广使用。

附图说明

图1A为本发明实施例主动式触觉传感器的正视图；

图1B为图1A所示主动式触觉传感器的剖视图；

图1C为图1A所示主动式触觉传感器中单一传感单元的剖视图；

图1D为图1A所示主动式触觉传感器的等效电路图；

图2为图1C所示传感单元的工作原理的示意图；

图3为图1C所示传感单元灵敏度的测试曲线；

图4是摩擦电子学薄膜晶体管阵列在图像还原领域应用的示意图。

【主要元件】

100-绝缘基底；

210、220、230、240、250、260-传感单元；

211-摩擦纳米发电机

211a-静摩擦部；211b-动摩擦部

212-薄膜晶体管

212a半导体衬底；212b栅绝缘层；

212c栅极；212d源极；212e漏极

213-二极管；214-导电材料。

具体实施方式

由王中林教授课题组提出的摩擦纳米发电机为制备主动式触觉传感系统提供了一个新的思路。这种发电机的工作原理基于摩擦起电和静电感应的耦合，将两种镀有电极并具有不同带电特性的高分子材料贴合在一起，在外界机械力的作用下产生机械形变，使两种材料发生相互摩擦。由于两种材料具有不同的得失电子能力，会在两种材料接触的表面产生电荷分离形成一个内建电势差，两个镀好的电极通过静电感应在表面产生感应电荷，并在摩擦静电势的驱动下经过外电路形成电流。除了直接利用摩擦纳米发电机作为自驱动系统，它产生的静电势还可以调控电子学器件。在2014年，摩擦电子学被首次提出，它利用摩擦纳米发电机产生的静电势作为栅压来调控半导体中载流子的输运特性。迄今为止，摩擦电子学已经成功运用到逻辑电路、有机LED、有机存储、智能触碰开关和光电薄膜晶体管中。由于摩擦电子学的优良特性，其在主动式触觉传感系统领域有重要的应用价值。

本发明通过外部接触分离式摩擦产生的静电势来调控薄膜晶体管中沟道载流子的输运特性，从而调控薄膜晶体管中源漏电流的大小。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种主动式触觉传感器。请参照图1A和图1B，本实施例主动式触觉传感器包括：绝缘基底100以及设置于绝缘基底上的若干个传感单元(210、220、230等)。每一传感单元(210)包括：设置于绝缘基底正面的接触分离式的摩擦纳米发电机211；设置于绝缘基底背面，与摩擦纳米发电机相对设置的薄膜晶体管212；以及连接于所述薄膜晶体管212的源极和漏极之间的二极管213。其中，摩擦纳米发电机211通过填充于绝缘基底上过孔内的导电材料214与薄膜晶体管的栅极电性连接。该传感单元的传感信号由薄膜晶体管的源极和漏极之间流过的电流实现。

以下分别对本实施例主动式触觉传感器的各组成部分进行详细描述。

绝缘基底100可以采用任何绝缘材质的基底。考虑到需要在绝缘基底上制作过孔，故绝缘基底优选为高分子聚合物基底。基于同样的考虑，绝缘基底的厚度不超过100μm。本实施例中，采用的是厚度为100μm的聚酰亚胺基底。

对于摩擦纳米发电机211而言，其包括：设置于聚酰亚胺基底正面的静摩擦部211a；以及可在外力作用下与静摩擦部接触或分离的动摩擦部211b。

本实施例中，采用在绝缘基底上沉积并刻蚀的铜膜块作为静摩擦部。请参照图1A，在聚酰亚胺基底正面形成的静摩擦部呈阵列状排布，共有10行10列(共100个)的大小为5mm×5mm的铜膜块。请参照图1B，铜膜块作为摩擦纳米发电机的一个摩擦面和电极，通过预先设计好过孔内导电材料和底层对应位置的薄膜晶体管的栅极连接在一起。

在其他实施例中，静摩擦部为也可以为由金属材料层和静摩擦层形成的复合层，所述金属材料层设置在所述绝缘基底上，所述静摩擦层和动摩擦部由位于摩擦电极序不同位置的材料制作。静摩擦层的材料也可以选择高分子聚合物材料，只要与动摩擦部的材料不同即可，由此，下面提到的动摩擦部可以采用的材料静摩擦层均可以选择。由于静摩擦层的材料为绝缘材料，由此其的加入并不会影响器件的功能，还可以对静摩擦部中的金属材料层起到保护的作用。

在静摩擦部211a的对侧，具有可在外力作用下与静摩擦部接触或分离的动摩擦部。本实施例中，静摩擦部阵列的多个铜膜块对应的动摩擦部连成一体，成为一动摩擦面。换句话说，若干个的摩擦纳米发电机共用同一块动摩擦面。每一个铜膜块与该动摩擦面的相应部分构成一个单电极式摩擦发电机，两者接触或分离，就可以在铜膜块表面形成电荷转移。

动摩擦面上与静摩擦部相对的表面采用与静摩擦部采用(即铜)位于摩擦电极序不同位置的材料制作，优选采用高分子聚合物材料，本实施例中，采用的为PTFE材料，其尺寸与静摩擦部阵列的尺寸大致相同。

本领域技术人员应当清楚，除了PTFE之外，此处的高分子聚合物材料还可以为以下材料中的一种：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纤维、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和派瑞林。

在聚酰亚胺的另一面，对应铜膜块的每一个位置上都集成了一个薄膜晶体管。具体而言，在每一铜膜块下方的绝缘基底上，均加工有过孔。该过孔内填充有铜材料，从而形成铜导电柱。一般情况下，该铜材料是在沉积铜膜的过程中形成于过孔内的。

在过孔的下方，设置有薄膜晶体管212。请参照图1C，薄膜晶体管212包括：

半导体衬底212a；

形成于半导体衬底中部上方的栅绝缘层212b；

形成于栅绝缘层上方，绝缘基底的过孔的下方，同绝缘基底另一侧的铜膜块通过在过孔内的导电柱电性连接的栅极212c；

形成于半导体衬底上方，栅绝缘层和栅极的左右两侧的源极212d和漏极212e。

其中，在栅绝缘层的下方的，源极和漏极之间的半导体衬底部分形成薄膜晶体管的沟道。

本实施例中，衬底采用p型Si衬底。并且，在源极和漏极之间施加有稳定的源漏电压。

需要注意的是，如图1B所示，本实施例中，不同传感单元对应的薄膜晶体管是独立的，以确保相邻薄膜晶体管之间不相互干扰。本领域技术人员应当清楚，在保证相邻薄膜晶体管之间不相互干扰的前提下，例如在相邻薄膜晶体管之间增加绝缘层，不同传感单元对应的薄膜晶体管也可以连成一片或者在同一块绝缘衬底上制作薄膜晶体管。

本实施例中，传感单元的传感信号由薄膜晶体管的源极和漏极之间引出，为了确保各晶体管之间的传感信号工作的独立性，在源极和漏极之间外接二极管，以确保传感信号从漏极流向源极，并不受其他传感单元电流信号的影响。

关于传感单元中的二极管213，本实施例中采用在薄膜晶体管212的源极和漏极之间外接二极管。本领域技术人员应当清楚，该二极管还可以采用微加工技术和薄膜晶体管制作在一起，同样能够实现本发明。

由于本申请中薄膜晶体管为n型薄膜晶体管，故薄膜晶体管的漏极连接至电源正端，源极连接至二极管的阳极，二极管的阴极连接至电源负端。本领域技术人员应当清楚，当薄膜晶体管为p型薄膜晶体管时，应当是：所述薄膜晶体管的漏极连接至电源负端，源极连接至二极管的阴极，二极管的阳极连接至电源正端。

以下介绍本实施例主动式触觉传感器中一个传感单元的工作原理：

请参照图2，其中(a)～(d)是一个完整的工作周期。在图2中(a)的初始状态下，PTFE动摩擦部和铜膜块完全接触。这时由于PTFE动摩擦部和铜膜块的带电能力不同，由于摩擦起电作用使得PTFE动摩擦部表面带负电，铜膜块表面带上等量正电荷。此时上下摩擦面的正负电荷处于平衡状态，薄膜晶体管的栅极电压为零，其导电沟道不受影响，没有源漏电流产生。在外力作用下，PTFE动摩擦部逐渐离开铜膜块，如图2中(b)所示。由于缺少负电荷的束缚，铜膜块上的正电荷向薄膜晶体管栅极移动。此时，一个正的电势差作用到薄膜晶体管的栅极和源极之间，使得薄膜晶体管的导电沟道宽度增加，源漏电流增大。当垂直分离距离达到一定程度时，如图2中(c)所示，栅极电压达到最大，此时源漏电流也趋于稳定。当PTFE动摩擦部在外力作用下又重新回到初始位置时，栅极电压又变为零，此时源流电流回到零，如图2中(d)和(a)所示。

请参照图1D，每一列的薄膜晶体管(例如：210和240)的漏极都通过一根导线连接到一起；同理，每一行的薄膜晶体管(例如：210、220和230)的源极也共接一根导线。相较于其他阵列每个传感单元单独接地或单独寻址而言，这样的电连接结构极大地减少了连接导线的数目，这是由于薄膜晶体管单元中的二极管确保了源漏电流的单向性。对于一个10×10阵列，摩擦电子学薄膜晶体管阵列的电连接导线数量降低到20条，这非常有利于提升寻址速度。以第一行第二列的传感单元为例，当外力逐渐接近并接触到该传感单元的铜膜块时，该传感单元薄膜晶体管单元的源漏电流会由一个稳定值降低到零，通过多通道数据采集系统和Labview软件对数据进行处理，可以还原出对应传感单元的电流的变化，从而完成寻址工作。

图3为图1C所示传感单元灵敏度的测试曲线。此处我们把灵敏度定义为：S＝(ΔI/I₀)/Δd，其中ΔI是源漏电流的相对变化，I₀是在没有外刺激的情况下传感单元的源漏电流，Δd是PTFE和铜膜块之间相对距离的变化。为了便于定量计算，我们规定PTFE和铜膜块完全接触时Δd为零。图中表示的是单传感单元的灵敏度随接触分离距离变化的关系。可以很明显的看到传感单元的灵敏度有三个典型的区域。在最初的分离阶段，即3mm以下时，单传感单元灵敏度很高，达到了1.029mm^-1；当分离距离超过了3mm以后，传感单元的灵敏度就很快降低到0.0778mm^-1了。当距离继续增大时，薄膜晶体管的源漏电流趋于稳定。这也符合之前在图2中的原理解释。从灵敏度的变化可以看出，传感单元对于外刺激的距离响应非常敏感，这种响应完全可以满足摩擦电子学薄膜晶体管阵列在柔性电子学、医疗监测、电子皮肤等领域的应用。

图4是摩擦电子学薄膜晶体管阵列在图像还原领域应用的示意图。把提前做好的字母形状的亚克力板的表面贴上极化过的PTFE。将这个字母形状的亚克力板放到一个10×10传感单元的摩擦电子学薄膜晶体管阵列上，并加上一个恒定的源漏电压(2V)。通过一个多通道数据采集系统采集100个传感单元的源漏电流信号，并通过软件还原处理后得到归一化的二维强度图。从图4中(a)中可以清晰的看到，当没有外界物体接触时，整个10×10阵列的归一化电流信号趋于一致。当放上“A”形状的亚克力板时，和PTFE接触的对应区域的传感单元的电流减小为零，未被PTFE接触的区域的大部分传感单元的电流不受影响(少数相邻传感单元电流会有改变)，从而还原出了“A”的形状，如图4中(b)所示。上述实验结果表明，利用摩擦电子学薄膜晶体管阵列作为主动式触觉传感系统，可以实现对外刺激的传感并还原其形状。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“正面”、“背面”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

综上所述，本发明基于接触分离式摩擦纳米发电机和薄膜晶体管阵列，提供了一种主动式触觉传感器，可用于主动式触觉传感统领域，在多点接触传感、运动监测、轨迹追踪和外刺激空间成像等领域都有很好的应用前景。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种主动式触觉传感器，其特征在于，包括：

绝缘基底；以及

设置于所述绝缘基底上的若干个传感单元，其中，每一传感单元包括：

设置于所述绝缘基底的正面的接触分离式的摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机包括：设置于所述绝缘基底正面的静摩擦部；以及可在外力作用下与所述静摩擦部接触或分离的动摩擦部，所述静摩擦部和动摩擦部由位于摩擦电极序不同位置的材料制作；以及

设置于所述绝缘基底的背面，与所述摩擦纳米发电机相对设置的薄膜晶体管；

其中，所述摩擦纳米发电机中，所述静摩擦部通过填充于所述绝缘基底上过孔内的导电材料与薄膜晶体管的栅极电性连接，该传感单元的传感信号由薄膜晶体管的源极和漏极之间流过的电流实现；

其中，所述若干个传感单元的静摩擦部在所述绝缘基底上呈阵列排布，形成静摩擦部阵列；所述若干个传感单元的动摩擦部连成一体，形成一动摩擦面；静摩擦部阵列中的一静摩擦部与动摩擦面上相应部分构成所述摩擦纳米发电机。

2.根据权利要求1所述的主动式触觉传感器，其特征在于，所述静摩擦部由金属材料制备；或者，所述静摩擦部为由金属材料层和静摩擦层形成的复合层，所述金属材料层设置在所述绝缘基底上，所述静摩擦层和动摩擦部由位于摩擦电极序不同位置的材料制作；

所述动摩擦部由高分子聚合物材料制备。

3.根据权利要求1所述的主动式触觉传感器，其特征在于：

所述动摩擦面为PTFE材料制作的面状物件；

所述静摩擦部为沉积于所述绝缘基底上的铜膜经刻蚀而形成的铜膜块，所述导电材料为在形成所述铜膜的过程中填充于绝缘基底的过孔内的铜导电柱。

4.根据权利要求1所述的主动式触觉传感器，其特征在于，所述薄膜晶体管包括：

半导体衬底；

形成于半导体衬底中部上方的栅绝缘层；

形成于所述栅绝缘层上方，所述绝缘基底上过孔的下方，同绝缘基底另一侧的摩擦纳米发电机通过在过孔内的导电材料电性连接的栅极；

形成于所述半导体衬底上方，所述栅绝缘层和栅极的左右两侧的源极和漏极；

其中，在栅绝缘层的下方的，源极和漏极之间的半导体衬底部分形成薄膜晶体管的沟道，且相邻传感单元的薄膜晶体管相互独立或电性绝缘。

5.根据权利要求4所述的主动式触觉传感器，其特征在于，所述半导体衬底为p型Si衬底。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的主动式触觉传感器，其特征在于，所述薄膜晶体管的源极和漏极之间连接有电源和二极管。

7.根据权利要求6所述的主动式触觉传感器，其特征在于：

所述薄膜晶体管为n型晶体管，所述薄膜晶体管的漏极连接至电源正端，源极连接至二极管的阳极，二极管的阴极连接至电源负端；或

所述薄膜晶体管为p型晶体管，所述薄膜晶体管的漏极连接至电源负端，源极连接至二极管的阴极，二极管的阳极连接至电源正端。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的主动式触觉传感器，其特征在于，所述绝缘基底为厚度小于100μm的高分子聚合物衬底。