本發(fā)明涉及摩擦電子學和傳感器技術領域，尤其涉及一種主動式觸覺傳感器。

背景技術：

在過去一段時間里，主動式觸覺傳感系統(tǒng)由于其自身具有的可模仿觸覺功能的傳感特性，獲得了持續(xù)而廣泛的關注，被廣泛應用于智能可穿戴設備、人機交互界面和實時醫(yī)療健康監(jiān)測領域。觸覺傳感器是整個主動式觸覺傳感系統(tǒng)中的核心部件，許多的原理都被用來制備這種觸覺傳感器。

雖然現(xiàn)在已經(jīng)提出了多種多樣的觸覺傳感器的研制方案，但大都屬于實驗室階段，并且通常利用到了成本很高的納米材料、復雜的真空制備技術和繁瑣的光刻手段。想要大規(guī)模地制備商業(yè)化的觸覺傳感系統(tǒng)仍然是一個難題。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

鑒于上述技術問題，本發(fā)明提供了一種制備工藝簡單，選材廣泛，成本低廉的主動式觸覺傳感器。

(二)技術方案

本發(fā)明主動式觸覺傳感器包括：絕緣基底；以及設置于所述絕緣基底上的若干個傳感單元。其中，每一傳感單元包括：設置于所述絕緣基底的正面的接觸分離式的摩擦納米發(fā)電機；以及設置于所述絕緣基底的背面，與所述摩擦納米發(fā)電機相對設置的薄膜晶體管。其中，所述摩擦納米發(fā)電機通過填充于所述絕緣基底上過孔內(nèi)的導電材料與薄膜晶體管的柵極電性連接，該傳感單元的傳感信號由薄膜晶體管的源極和漏極之間流過的電流實現(xiàn)。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明主動式觸覺傳感器至少具有以下有益效果其中之一：

(1)制備工藝簡單，選材廣泛，成本低廉，能夠滿足大規(guī)模商業(yè)化的需求；

(2)利用接觸分離式摩擦納米發(fā)電機對每個傳感單元實現(xiàn)獨立式和主動式調(diào)控，可用于多點觸覺傳感、運動監(jiān)測和軌跡追蹤；

(3)對外刺激具有很好的靈敏度和響應時間，非常適合在智能可穿戴設備、人機交互界面和實時醫(yī)療健康監(jiān)測領域推廣使用。

附圖說明

圖1A為本發(fā)明實施例主動式觸覺傳感器的正視圖；

圖1B為圖1A所示主動式觸覺傳感器的剖視圖；

圖1C為圖1A所示主動式觸覺傳感器中單一傳感單元的剖視圖；

圖1D為圖1A所示主動式觸覺傳感器的等效電路圖；

圖2為圖1C所示傳感單元的工作原理的示意圖；

圖3為圖1C所示傳感單元靈敏度的測試曲線；

圖4是摩擦電子學薄膜晶體管陣列在圖像還原領域應用的示意圖。

【主要元件】

100-絕緣基底；

210、220、230、240、250、260-傳感單元；

211-摩擦納米發(fā)電機

211a-靜摩擦部； 211b-動摩擦部

212-薄膜晶體管

212a半導體襯底； 212b柵絕緣層；

212c柵極； 212d源極； 212e漏極

213-二極管； 214-導電材料。

具體實施方式

由王中林教授課題組提出的摩擦納米發(fā)電機為制備主動式觸覺傳感系統(tǒng)提供了一個新的思路。這種發(fā)電機的工作原理基于摩擦起電和靜電感應的耦合，將兩種鍍有電極并具有不同帶電特性的高分子材料貼合在一起，在外界機械力的作用下產(chǎn)生機械形變，使兩種材料發(fā)生相互摩擦。由于兩種材料具有不同的得失電子能力，會在兩種材料接觸的表面產(chǎn)生電荷分離形成一個內(nèi)建電勢差，兩個鍍好的電極通過靜電感應在表面產(chǎn)生感應電荷，并在摩擦靜電勢的驅動下經(jīng)過外電路形成電流。除了直接利用摩擦納米發(fā)電機作為自驅動系統(tǒng)，它產(chǎn)生的靜電勢還可以調(diào)控電子學器件。在2014年，摩擦電子學被首次提出，它利用摩擦納米發(fā)電機產(chǎn)生的靜電勢作為柵壓來調(diào)控半導體中載流子的輸運特性。迄今為止，摩擦電子學已經(jīng)成功運用到邏輯電路、有機LED、有機存儲、智能觸碰開關和光電薄膜晶體管中。由于摩擦電子學的優(yōu)良特性，其在主動式觸覺傳感系統(tǒng)領域有重要的應用價值。

本發(fā)明通過外部接觸分離式摩擦產(chǎn)生的靜電勢來調(diào)控薄膜晶體管中溝道載流子的輸運特性，從而調(diào)控薄膜晶體管中源漏電流的大小。

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種主動式觸覺傳感器。請參照圖1A和圖1B，本實施例主動式觸覺傳感器包括：絕緣基底100以及設置于絕緣基底上的若干個傳感單元(210、220、230等)。每一傳感單元(210)包括：設置于絕緣基底正面的接觸分離式的摩擦納米發(fā)電機211；設置于絕緣基底背面，與摩擦納米發(fā)電機相對設置的薄膜晶體管212；以及連接于所述薄膜晶體管212的源極和漏極之間的二極管213。其中，摩擦納米發(fā)電機211通過填充于絕緣基底上過孔內(nèi)的導電材料214與薄膜晶體管的柵極電性連接。該傳感單元的傳感信號由薄膜晶體管的源極和漏極之間流過的電流實現(xiàn)。

以下分別對本實施例主動式觸覺傳感器的各組成部分進行詳細描述。

絕緣基底100可以采用任何絕緣材質(zhì)的基底?？紤]到需要在絕緣基底上制作過孔，故絕緣基底優(yōu)選為高分子聚合物基底。基于同樣的考慮，絕緣基底的厚度不超過100μm。本實施例中，采用的是厚度為100μm的聚酰亞胺基底。

對于摩擦納米發(fā)電機211而言，其包括：設置于聚酰亞胺基底正面的靜摩擦部211a；以及可在外力作用下與靜摩擦部接觸或分離的動摩擦部211b。

本實施例中，采用在絕緣基底上沉積并刻蝕的銅膜塊作為靜摩擦部。請參照圖1A，在聚酰亞胺基底正面形成的靜摩擦部呈陣列狀排布，共有10行10列(共100個)的大小為5mm×5mm的銅膜塊。請參照圖1B，銅膜塊作為摩擦納米發(fā)電機的一個摩擦面和電極，通過預先設計好過孔內(nèi)導電材料和底層對應位置的薄膜晶體管的柵極連接在一起。

在其他實施例中，靜摩擦部為也可以為由金屬材料層和靜摩擦層形成的復合層，所述金屬材料層設置在所述絕緣基底上，所述靜摩擦層和動摩擦部由位于摩擦電極序不同位置的材料制作。靜摩擦層的材料也可以選擇高分子聚合物材料，只要與動摩擦部的材料不同即可，由此，下面提到的動摩擦部可以采用的材料靜摩擦層均可以選擇。由于靜摩擦層的材料為絕緣材料，由此其的加入并不會影響器件的功能，還可以對靜摩擦部中的金屬材料層起到保護的作用。

在靜摩擦部211a的對側，具有可在外力作用下與靜摩擦部接觸或分離的動摩擦部。本實施例中，靜摩擦部陣列的多個銅膜塊對應的動摩擦部連成一體，成為一動摩擦面。換句話說，若干個的摩擦納米發(fā)電機共用同一塊動摩擦面。每一個銅膜塊與該動摩擦面的相應部分構成一個單電極式摩擦發(fā)電機，兩者接觸或分離，就可以在銅膜塊表面形成電荷轉移。

動摩擦面上與靜摩擦部相對的表面采用與靜摩擦部采用(即銅)位于摩擦電極序不同位置的材料制作，優(yōu)選采用高分子聚合物材料，本實施例中，采用的為PTFE材料，其尺寸與靜摩擦部陣列的尺寸大致相同。

本領域技術人員應當清楚，除了PTFE之外，此處的高分子聚合物材料還可以為以下材料中的一種：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纖維、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，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、聚雙苯酚碳酸酯、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。

在聚酰亞胺的另一面，對應銅膜塊的每一個位置上都集成了一個薄膜晶體管。具體而言，在每一銅膜塊下方的絕緣基底上，均加工有過孔。該過孔內(nèi)填充有銅材料，從而形成銅導電柱。一般情況下，該銅材料是在沉積銅膜的過程中形成于過孔內(nèi)的。

在過孔的下方，設置有薄膜晶體管212。請參照圖1C，薄膜晶體管212包括：

半導體襯底212a；

形成于半導體襯底中部上方的柵絕緣層212b；

形成于柵絕緣層上方，絕緣基底的過孔的下方，同絕緣基底另一側的銅膜塊通過在過孔內(nèi)的導電柱電性連接的柵極212c；

形成于半導體襯底上方，柵絕緣層和柵極的左右兩側的源極212d和漏極212e。

其中，在柵絕緣層的下方的，源極和漏極之間的半導體襯底部分形成薄膜晶體管的溝道。

本實施例中，襯底采用p型Si襯底。并且，在源極和漏極之間施加有穩(wěn)定的源漏電壓。

需要注意的是，如圖1B所示，本實施例中，不同傳感單元對應的薄膜晶體管是獨立的，以確保相鄰薄膜晶體管之間不相互干擾。本領域技術人員應當清楚，在保證相鄰薄膜晶體管之間不相互干擾的前提下，例如在相鄰薄膜晶體管之間增加絕緣層，不同傳感單元對應的薄膜晶體管也可以連成一片或者在同一塊絕緣襯底上制作薄膜晶體管。

本實施例中，傳感單元的傳感信號由薄膜晶體管的源極和漏極之間引出，為了確保各晶體管之間的傳感信號工作的獨立性，在源極和漏極之間外接二極管，以確保傳感信號從漏極流向源極，并不受其他傳感單元電流信號的影響。

關于傳感單元中的二極管213，本實施例中采用在薄膜晶體管212的源極和漏極之間外接二極管。本領域技術人員應當清楚，該二極管還可以采用微加工技術和薄膜晶體管制作在一起，同樣能夠實現(xiàn)本發(fā)明。

由于本申請中薄膜晶體管為n型薄膜晶體管，故薄膜晶體管的漏極連接至電源正端，源極連接至二極管的陽極，二極管的陰極連接至電源負端。本領域技術人員應當清楚，當薄膜晶體管為p型薄膜晶體管時，應當是：所述薄膜晶體管的漏極連接至電源負端，源極連接至二極管的陰極，二極管的陽極連接至電源正端。

以下介紹本實施例主動式觸覺傳感器中一個傳感單元的工作原理：

請參照圖2，其中(a)～(d)是一個完整的工作周期。在圖2中(a)的初始狀態(tài)下，PTFE動摩擦部和銅膜塊完全接觸。這時由于PTFE動摩擦部和銅膜塊的帶電能力不同，由于摩擦起電作用使得PTFE動摩擦部表面帶負電，銅膜塊表面帶上等量正電荷。此時上下摩擦面的正負電荷處于平衡狀態(tài)，薄膜晶體管的柵極電壓為零，其導電溝道不受影響，沒有源漏電流產(chǎn)生。在外力作用下，PTFE動摩擦部逐漸離開銅膜塊，如圖2中(b)所示。由于缺少負電荷的束縛，銅膜塊上的正電荷向薄膜晶體管柵極移動。此時，一個正的電勢差作用到薄膜晶體管的柵極和源極之間，使得薄膜晶體管的導電溝道寬度增加，源漏電流增大。當垂直分離距離達到一定程度時，如圖2中(c)所示，柵極電壓達到最大，此時源漏電流也趨于穩(wěn)定。當PTFE動摩擦部在外力作用下又重新回到初始位置時，柵極電壓又變?yōu)榱?，此時源流電流回到零，如圖2中(d)和(a)所示。

請參照圖1D，每一列的薄膜晶體管(例如：210和240)的漏極都通過一根導線連接到一起；同理，每一行的薄膜晶體管(例如：210、220和230)的源極也共接一根導線。相較于其他陣列每個傳感單元單獨接地或單獨尋址而言，這樣的電連接結構極大地減少了連接導線的數(shù)目，這是由于薄膜晶體管單元中的二極管確保了源漏電流的單向性。對于一個10×10陣列，摩擦電子學薄膜晶體管陣列的電連接導線數(shù)量降低到20條，這非常有利于提升尋址速度。以第一行第二列的傳感單元為例，當外力逐漸接近并接觸到該傳感單元的銅膜塊時，該傳感單元薄膜晶體管單元的源漏電流會由一個穩(wěn)定值降低到零，通過多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和Labview軟件對數(shù)據(jù)進行處理，可以還原出對應傳感單元的電流的變化，從而完成尋址工作。

圖3為圖1C所示傳感單元靈敏度的測試曲線。此處我們把靈敏度定義為：S＝(ΔI/I₀)/Δd，其中ΔI是源漏電流的相對變化，I₀是在沒有外刺激的情況下傳感單元的源漏電流，Δd是PTFE和銅膜塊之間相對距離的變化。為了便于定量計算，我們規(guī)定PTFE和銅膜塊完全接觸時Δd為零。圖中表示的是單傳感單元的靈敏度隨接觸分離距離變化的關系?？梢院苊黠@的看到傳感單元的靈敏度有三個典型的區(qū)域。在最初的分離階段，即3mm以下時，單傳感單元靈敏度很高，達到了1.029mm^-1；當分離距離超過了3mm以后，傳感單元的靈敏度就很快降低到0.0778mm^-1了。當距離繼續(xù)增大時，薄膜晶體管的源漏電流趨于穩(wěn)定。這也符合之前在圖2中的原理解釋。從靈敏度的變化可以看出，傳感單元對于外刺激的距離響應非常敏感，這種響應完全可以滿足摩擦電子學薄膜晶體管陣列在柔性電子學、醫(yī)療監(jiān)測、電子皮膚等領域的應用。

圖4是摩擦電子學薄膜晶體管陣列在圖像還原領域應用的示意圖。把提前做好的字母形狀的亞克力板的表面貼上極化過的PTFE。將這個字母形狀的亞克力板放到一個10×10傳感單元的摩擦電子學薄膜晶體管陣列上，并加上一個恒定的源漏電壓(2V)。通過一個多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集100個傳感單元的源漏電流信號，并通過軟件還原處理后得到歸一化的二維強度圖。從圖4中(a)中可以清晰的看到，當沒有外界物體接觸時，整個10×10陣列的歸一化電流信號趨于一致。當放上“A”形狀的亞克力板時，和PTFE接觸的對應區(qū)域的傳感單元的電流減小為零，未被PTFE接觸的區(qū)域的大部分傳感單元的電流不受影響(少數(shù)相鄰傳感單元電流會有改變)，從而還原出了“A”的形狀，如圖4中(b)所示。上述實驗結果表明，利用摩擦電子學薄膜晶體管陣列作為主動式觸覺傳感系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對外刺激的傳感并還原其形狀。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換。

還需要說明的是，本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但這些參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“正面”、“背面”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。

綜上所述，本發(fā)明基于接觸分離式摩擦納米發(fā)電機和薄膜晶體管陣列，提供了一種主動式觸覺傳感器，可用于主動式觸覺傳感統(tǒng)領域，在多點接觸傳感、運動監(jiān)測、軌跡追蹤和外刺激空間成像等領域都有很好的應用前景。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。