电子皮肤的压力和温度咋同时测？3D 传感器阵列有啥妙招？

摘要：大家好！电子皮肤技术旨在模拟人类皮肤复杂的感知功能，其中压力和温度的同时且独立感知至关重要。今天，我们就来深入了解一款3D传感器阵列横空出世，能同时精准检测压力和温度——《3D active-matrix multimodal sensor arrays fo

大家好！电子皮肤技术旨在模拟人类皮肤复杂的感知功能，其中压力和温度的同时且独立感知至关重要。今天，我们就来深入了解一款3D传感器阵列横空出世，能同时精准检测压力和温度——《3D active-matrix multimodal sensor arrays for independent detection of pressure and temperature》发表于《SCIENCE ADVANCES》。#电子皮肤 #传感器技术 #科技创新 #机器人应用 #医疗科技 #智能设备

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一、研究背景

在我们的日常生活中，皮肤对机械和热刺激的感知帮助我们与周围环境互动。受此启发，柔性传感器应运而生，在医疗保健监测、假肢和机器人等电子皮肤应用领域展现出巨大潜力。然而，在多模态传感器发展过程中，准确区分多种刺激信号面临诸多挑战。多数多模态传感器阵列基于被动矩阵架构，像素间易受串扰影响。而基于薄膜晶体管（TFT）的主动矩阵架构虽有优势，但TFT本身的温度依赖电荷传输特性又会导致信号失真。所以，研发能独立且准确检测压力和温度的传感器阵列意义重大。

二、传感器阵列设计与制作

1、结构设计原理

我们来看这个多模态3D传感器阵列，它由大面积压阻片和两个单片堆叠的有源矩阵层构成。每个像素器件都采用独特的垂直配置，顶部是基于TFT的压力（P）传感器，底部是基于TFT的温度（T）传感器。其电路结构中，底部和顶部TFT的漏电流分别受温度和压力调制。这种设计的巧妙之处在于，它利用底部TFT的固有温度特性检测温度，同时为顶部压力传感器的热效应补偿奠定基础。

2、制作详细步骤

制作时，先在涂覆聚对二甲苯的玻璃基板上，用喷墨打印机印上源极和漏极电极，再用气动喷嘴打印机图案化p型有机半导体墨水。这里使用的共轭聚合物半导体用于温度传感，无需额外的热敏电阻等元件，简化了制作流程。

接着沉积聚对二甲苯栅极介电层并喷墨印刷栅极电极，其共同控制上下TFT，减少了制作工序和互连设计复杂度。完成底部TFT后，继续制作顶部TFT，包括沉积金属间介电层、用纳秒脉冲激光烧蚀制作通孔并喷墨填充等。最后制作压阻片，将PVDF和GO按比例混合后倒入微穹顶模具，经干燥、退火形成rGO/PVDF复合微穹顶阵列，两层堆叠后与顶部TFT连接。

三、电学特性

1、TFT性能表现

对3D堆叠的TFT进行测试发现，底部TFT在堆叠前后电气性能稳定。25对顶部和底部TFT都呈现出典型的转移特性，在载流子迁移率、阈值电压和亚阈值斜率等方面表现出较高的一致性和均匀性，且在弯曲半径为10mm时性能降级极小。

2、压力与温度传感特性

压力传感器方面，在0到20kPa压力下，随着压力增加，压阻片变形使电阻减小，IP增大。其压力-灵敏度曲线非线性是由于微穹顶结构在低压下变形对接触面积影响更大。通过分段线性化，在0-1kPa、1-6kPa和6-20kPa-1区间分别获得不同的压力灵敏度（2.64、0.22和0.02），且传感器在压力加载卸载时滞后可忽略，响应可靠，器件间差异小。

温度传感器在25°到50°C范围内，底部TFT漏电流随温度升高而增加，这是因为共轭聚合物的热激活电荷传输和陷阱态转变。其温度灵敏度线性良好，滞后小，在该温度区间内相对电流值变化明显（68%），对应温度系数为-2.72%℃-1，优于以往报道，且能实时检测宽范围温度，灵敏度均匀。

3、校准补偿方法揭秘

由于压力传感器受温度影响产生测量误差，我们开发了校准补偿方法。研究发现压力传感器热响应线性良好，基于此，先确定不同温度下压力传感器的温度灵敏度，再利用温度传感器的温度独立灵敏度计算未知温度与参考温度差值，进而将压力传感器在不同温度下的转换为参考温度下的。经实验验证，该方法能使不同温度下的压力测量曲线重合，大幅降低温度引起的电流变化，有效减少温度诱导的压力测量误差。

四、空间测量与应用

1、空间测量过程

我们制作的10x10多模态传感器阵列可实时映射压力和温度。在实验中，放置不同温度物体于阵列上，未补偿时，温度变化使压力测量误差大；使用补偿方法后，能准确获取压力和温度信息，压力差异显著降低。

2、机器人夹具应用

在机器人夹具应用中，将传感器阵列安装在夹具手指上，特定区域作为传感区与控制系统相连。工作时，先收集温度和压力数据，利用温度信息校正压力数据，再与阈值比较。未补偿时，夹具因温度误差无法抓取热杯子；补偿后，夹具能根据实时信息调整抓取力度，成功抓取和提升室温及热杯子，且在杯子温度变化时保持稳定抓取。

五、总结与展望

这款3D传感器阵列通过创新设计和校准补偿方法，成功实现了压力和温度的独立精确检测，在电子皮肤技术领域迈出重要一步。在机器人夹具等应用中表现出色，为未来类皮肤电子设备发展提供了新方向。随着技术不断进步，有望在更多领域得到应用，如医疗触觉感知设备、智能假肢等，但在实际应用中需关注传感器的长期稳定性和与不同材料集成时的兼容性等问题。

六、一起来做做题吧

1、在多模态传感器中，以下哪种情况是需要重点解决的问题？

A. 传感器的小型化

B. 信号在多种刺激下的准确区分

C. 提高传感器的响应速度

D. 降低传感器的成本

2、多模态 3D 传感器阵列中每个像素器件的结构是怎样的？

A. 顶部为温度传感器，底部为压力传感器

B. 仅由一个压力传感器构成

C. 由两个压力传感器组成

D. 顶部为压力传感器，底部为温度传感器

3、压力传感器在 0 - 20kPa 压力范围内，其压力 - 灵敏度曲线呈现什么特点？