濟南大學劉宏教授課題組Nano energy: 基于壓電電子學效應的節能、全柔性、高性能觸覺傳感器:利用有機場效應晶體管放大壓電信號

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第一作者：Jian Wang、Jianfeng Jiang

通訊作者：Congcong Zhang、Dehui Sun、Hong Liu

通訊單位：濟南大學前沿交叉科學研究院

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105050

研究亮點：

1壓電能量作為柵電壓來驅動OFET實現節能。OFET利用信號放大功能來提高器件的靈敏度。

2.基于并五苯有機場效應晶體管和PVDF納米棒陣列的壓電式觸覺傳感器不僅可以定量檢測不同砝碼的質量(10-200g)，還可以實時靈活檢測人體手腕的彎曲角度(0-90)。

3.柔性微陣列壓電單元與柔性信號放大單元的集成，以其便攜性、高能效和全柔性的特點，在人機交互和可穿戴設備領域發揮著重要作用。

研究背景：

目前商業化的機器人系統缺乏觸覺感知功能，無法實現真正的智能化應用。機器人智能電子皮膚是利用新材料、微機電和傳感器等技術開發的能夠模仿人體皮膚保護、感知等功能的柔性電子系統，是實現機器人觸覺功能的重要途徑。針對壓電傳感器靈敏度高但壓電納米材料的力-電轉換信號微弱，容易湮沒在噪聲中的瓶頸問題，濟南大學劉宏教授團隊通過納米尺度柔性壓電傳感原理和材料的設計，借助FET器件對壓電信號的耦合增強力-電轉換信號，獲得高靈敏度的壓電型壓力傳感單元。壓電材料介導的力-電轉換效應是實現壓力傳感的基礎，以納米棒為基礎的壓電材料的力-電轉換效應與傳統意義的壓電響應明顯不同，納米尺度引入的縱向柔性特征，使得壓電響應信號來源多樣化和協同化。借此研究了壓電放電對FET半導體輸運性能的影響，通過對FET柵極電壓的調控，實現了對納米棒陣列力-電耦合效應的放大機制的掌握，并對壓力測試 極限、靈敏度、FET 放大倍數等進行深入研究。

圖文導讀：

為了獲得具有高機電轉換功能的柔性信號輸入單元，我們以AAO模板輔助采用熱壓法獲得了一種典型的有機壓電材料β-PVDF納米棒陣列。納米尺度引入的縱向柔性特征，使得壓電響應信號進一步增強。

圖1: PVDF壓電元件的結構

為了實現信號的放大功能和改善傳感器信號的輸出，我們制作了一種精密的底柵頂電極OFET器件作為信號輸出終端并測試了其電學傳輸性能。

圖2：作為信號放大單元的并五苯晶體管的構造

圖3：作為信號放大單元的并五苯晶體管的電學傳輸特性

利用信號輸入和輸出組件的優良優點，通過連接PVDF壓電單元和OFET的源電極和柵電極，集成了基于壓電效應的高靈敏度、低功耗的觸覺傳感器。由于通過壓力產生的電信號作為柵電壓，足以打開OFET，所以微小的壓力變化會引起輸出電流的明顯變化，不需要額外的柵電壓信號輸入。

圖4：并五苯壓電晶體管的工作機理

為了證明所制備的壓電式傳感器具有良好的傳感性能，在沒有柵壓的情況下，采用不同重量(10-?200 g)的壓電式傳感器作為輸入壓力。正如預期的那樣，PVDF納米棒陣列的形變隨著重量的增加而增加，從而導致了極化電壓作為柵電壓的增加，最終導致輸出源漏極電流信號呈線性增加。

圖5：并五苯壓電晶體管的性能測試

雖然OFET信號放大式壓電壓力傳感器具有良好的傳感性能，但由于OFET器件是建立在硅基板上，實現其柔性很困難。因此，利用有機半導體在任何基底上良好的加工性能，制作了具有全柔性OFET信號放大的壓電壓力傳感器。

圖6：柔性壓電晶體管的性能測試

結論：

本研究有望解決觸覺傳感器靈敏度、可靠性、?穩定性、批量制備、等關鍵科學問題與技術瓶頸，為機器人系統提供智能化的電子皮膚，為應用示范提供理論基礎與技術支持。

作者簡介：

王建，2018年畢業于濟南大學，獲學士學位。目前在濟南大學前沿交叉科學研究院?(IAIR)劉宏教授領導的小組攻讀碩士學位。主要從事柔性壓力傳感器的制造和應用，以及場效應晶體管器件的組裝。

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姜健峰，山東大學微電子學院碩士生。自2020年起，他在北京大學電子系攻讀博士學位。目前主要研究領域為基于低維半導體材料的高性能場效應晶體管和邏輯電路、生物傳感器和壓電傳感器等。

張叢叢，2017年獲天津大學理學院化學系博士學位。隨后，她在濟南大學前沿交叉研究所擔任講師。她的興趣是分子電子學，高功能超分子納米組裝和基于FETs的生物傳感器。Ifc_zhangcc@ujn.edu.cn

孫德輝，濟南大學前沿交叉科學研究院講師。2015年獲得山東大學晶體材料國家重點實驗室博士學位。他的研究主要集中在晶體生長和結構分析方面，特別是對非線性晶體和電光晶體。

劉宏，濟南大學前沿交叉研究院院長，山東大學晶體材料國家重點實驗室教授。2001年獲山東大學博士學位。目前主要研究方向為組織工程、納米材料和納米器件，特別是納米材料和納米器件在氣體和生物傳感器、環境保護、新能源等領域的應用。hongliu@sdu.edu.cn

本文由濟南大學劉宏教授課題組供稿。?