河南大學AFM：柔性高分辨摩擦起電陣列傳感器件用于實時觸覺感知成像研究

【背景介紹】

隨著人工智能和物聯網高速發展,能夠感知各種外部物理刺激的觸覺傳感器被認為是下一代智能電子的重要設備之一。其在智能機器人、電子皮膚和人類健康監測等領域得到了廣泛應用。目前電子產品中主要傳感器件工作原理是基于電容式、電感式、壓阻式、光電式等，然而，這些傳感器件都需要外部電源提供電能。摩擦納米發電機（TENG）作為新一代電子器件，具有設計靈活、成本低、輸出性能穩定等優點。利用摩擦納米發電機的開路電壓和短路電流，能夠實現靜態過程和動態過程的檢測，可廣泛用于人體可穿戴和自驅動的傳感器。目前已報道的觸覺傳感器電極圖案存在制作成本高、制作過程復雜（光刻技術或掩膜板技術）、需要昂貴設備（如：磁控濺射）等缺陷。因此，迫切需要找到簡單、低成本、高效和快速的技術和方法用于構建基于摩擦起電的陣列傳感器件。激光直寫（LDW）技術作為一種圖案化制備工藝，可用于各種電子器件精確可編程和無掩膜的制造。由于激光光束的精確可編程和局部高溫處理特性，LDW技術可以一步合成金屬或無機非金屬材料，無需掩模、真空沉積和打印且高效的構建圖案化器件。利用LDW方法制備高導電性的多孔石墨烯（LIG），稱為激光誘導石墨烯(LIG)。同時，器件的物理和電學性能能夠通過激光功率、激光速度和激光環境精確調控，利用不同的圖案，有利于不同器件的設計。利用激光直寫技術構建摩擦電傳感器是一項具有啟發性和挑戰性的研究工作。

【成果簡介】

近日，河南大學王新教授課題組首次利用激光誘導石墨烯為工作電極，構建了柔性高分辨摩擦起電陣列傳感器件（TSA），用于運動軌跡的追蹤和人機交互。該器件具有低成本、高分辨率和形狀多樣化等特性。16×16個單元交叉型摩擦起電陣列傳感器，分辨率為8 dpi，能夠用于多點觸摸、滑動和運動軌跡的監測。該器件在單電極工作模式下，展現出穩定的電學輸出特性，經過6000次接觸─分離循環后，電學性能輸出穩定。該器件能夠有效將外部物體接觸刺激轉換為電學信號，通過多通道數據采集系統實現了觸覺傳感的實時可視化成像。同時，成功構建了基于摩擦納米發電機的可穿戴柔性觸摸平板，利用微型控制器和無線藍牙模塊，實現了人機交互。該工作不僅為構建柔性高分辨摩擦起電陣列傳感器開辟了新的技術和方法，同時拓展了自驅動實時觸覺傳感成像監測以及可穿戴的人機交互界面等領域的應用。相關研究成果以“Flexible High-Resolution Triboelectric Sensor Array Based on Patterned Laser Induced Graphene for Self-Powered Real-Time Tactile Sensing”為題發表在國際期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、摩擦起電陣列傳感器件（TSA）的制作流程和工藝及LIG表征

（a）TSA制備流程示意圖；

（b）16×16單元的TSA實物照片，分辨率為8 dpi；

（c）16×16單元的TSA結構示意圖；

（d）LIG的SEM圖像；

（e）LIG的SEM局部放大圖像；

（f）激光功率為3 W時制備LIG的拉曼光譜。

圖二、 TSA單元的工作機理及輸出性能

（a）TSA中單個傳感器單元的結構圖；

（b）TSA中單個傳感器單元工作原理圖；

（c）上、下層LIG電極的輸出開路電壓；

（d）當LIG電極半徑從5 mm增加到4 mm時，傳感器單元的輸出開路電壓；

（e）圖案化LIG電極在不同彎曲角度下的電阻；

（f）6000次以上接觸—分離的耐久性測試。

圖三、基于圖案化LIG電極的TSA原理和TSA映射圖像

（a）基于TSA的觸覺傳感信號記錄系統原理圖；

（b）多點觸控模式及觸控單個點輸出電壓示意圖；

（c）手指滑動運動軌跡中單元的滑動模式及輸出電壓示意圖；

（d）手指在16×16的TSA表面書寫字母“H” “E” “N” “U” (河南大學的縮寫)的示意圖。

（e）手指在TSA表面書寫字母“H” “E” “N” “U”所輸出電壓的二維映射圖。

圖四、基于圖案化LIG電極人機交互界面系統的應用

（a）基于圖案化LIG數字陣列觸控面板無線控制電子器件系統示意圖；

（b）基于圖案化LIG數字陣列的無線人機界面系統原理圖；

（c）觸控面板傳感單元的輸出電壓峰值；

（d）手指觸摸“5”數字傳感單元時摩擦發電器件的模擬信號輸出；

（e）模擬信號經處理電路后的數字信號輸出；

（f）由HMI系統無線控制LED的運動軌跡和開/關啟動；

（g）LED點亮的放大照片。

【小結】

本工作成功構建了基于激光誘導石墨烯為工作電極的柔性高分辨摩擦起電觸覺陣列傳感器件。首先，基于激光直寫技術，構建了分辨率為8 dpi的柔性16×16單元的摩擦起電觸覺陣列傳感器件，實現了多點觸摸、滑動和跟蹤手指運動軌跡的自驅動、實時和可視化。研究了基于摩擦起電觸覺陣列傳感器件的輸出電信號與有效接觸面積的關系、耐久性和同步性。另外，構建了一個智能無線手指控制人機界面系統，用于無線控制個人電子設備，該系統由基于LIG圖案化的9位數字陣列（3×3）數字觸摸面板、信號處理和無線傳輸電路組成。我們提出基于圖形化激光誘導石墨烯為工作電極的柔性高分辨自驅動觸覺陣列傳感器件，將為實時觸覺傳感成像、人機界面、安全識別和許多其他領域帶來巨大潛力。

文獻鏈接：Flexible High‐Resolution Triboelectric Sensor Array Based on Patterned Laser‐Induced Graphene for Self‐Powered Real‐Time Tactile Sensing. Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202100709.

通訊作者簡介

王新，博士，河南大學，教授，主要從事納米能源（納米發電）與柔性物理器件等領域的研究。現已主持國家自然科學基金項目3項，參與了包括國家自然科學基金委重點項目、863計劃、中科院重大研究計劃和先導專項等10余項。近年來共發表SCI收錄論文30余篇，包括有ACS Nano, J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等國際知名雜志, 被引用次數超過2000余次，單篇最高引用次數超過200次；授權發明專利4項；榮獲中國科學院院長優秀獎、教育部自然科學二等獎、中國分析測試協會科學技術獎一等獎和中國科學院青年創新促進會會員，河南省物理學會理事，曾在美國佐治亞理工學院從事訪問研究工作，目前被聘為河南大學黃河學者特聘教授。

代表性論文：

1. Wang, L., Liu, W., Yan, Z., Wang, F., Wang, X.* Stretchable and Shape‐Adaptable Triboelectric Nanogenerator Based on Biocompatible Liquid Electrolyte for Biomechanical Energy Harvesting and Wearable Human-Machine Interaction. Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2007221.

2.Liu, W.; Wang, X.;* Song, Y.; Cao, R.; Wang, L.; Yan, Z.; Shan, G.* Self-Powered Forest Fire Alarm System Based on Impedance Matching Effect between Triboelectric Nanogenerator and Thermosensitive Sensor. Nano Energy, 2020, 73, 104843.

3.Wang, X.; Wen, Z.; Guo, H.; Wu, C.; He, X. Lin, L.; Cao, X.; and Wang, Z.L.* Fully Packaged Blue Energy Harvester by Hybridizing a Rolling Triboelectric Nanogenerator and an Electromagnetic Generator. ACS Nano, 2016, 11369-11376.

4.Wu, C.; ? Wang, X.; ? Lin, L.; Guo, H.; Wang, Z.L.* Paper-Based Triboelectric Nanogenerators Made of Stretchable Interlocking Kirigami Patterns. ACS Nano, 2016, 10, 4652-4659. (?Equally contributed).

5.Wang, X.; Na, N.; Zhang, S.; Wu, Y.; Zhang, X.* Rapid Screening of Gold Catalysts by Chemiluminescence-based Array Imaging. J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 6062-6063.

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