濟南大學前沿交叉科學研究院劉宏、張叢叢團隊Nano Energy：基于壓電耦合OFET的高性能防水透氣全柔性觸覺傳感器

第一作者：Ailing Yin、Jian Wang

通訊作者：Congcong Zhang、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.2022.108034

【研究亮點】

1.PVDF的天然疏水特性結合先進的靜電紡絲技術，得到纖維互連的壓電薄膜，實現傳感器的柔性、防水性和透氣性。

2．在壓電電子學的引導下，將PVDF納米纖維膜（NM）與OFET電容耦合，構筑低能耗高性能的觸覺傳感器，其靈敏度、檢測限和響應時間分別為7.94 KPa^-1、48.54 Pa和105 ms。

3.高性能、防水、透氣的觸覺傳感器，可實現對人體生理信號的實時監測。

【研究背景】

以觸覺傳感為代表的壓力傳感器是人體假肢、機器人手臂等尖端領域不可或缺的電子元件之一。雖然目前在這類設備的開發方面已經取得了很大的進展，但是獲得同時具有高靈敏度、防水性和透氣性的柔性觸覺傳感器仍然是一個巨大的挑戰。針對上述問題，濟南大學前沿交叉科學研究院劉宏、張叢叢團隊構建了一種全柔性、防水透氣、節能高效的觸覺壓電傳感器。該裝置運用靜電紡絲技術獲得β-PVDF納米纖維膜作為信號輸入單元。材料天然的疏水特性結合PVDF納米纖維膜中數以萬計的微孔，使設備具有優異的防水性和透氣性，能夠避免外界潮濕環境和佩戴者汗水的侵害，從而提高穩定性和佩戴舒適性。由于基于壓電效應極化的PVDF?NM產生的電荷足以驅動DPA-OFET器件，因此作為信號放大和輸出單元，該裝置可以在不施加柵極電壓的情況下，將外部刺激的機械信號轉化為電信號來調制溝道電流，實現器件的節能和高性能。研究成果以“High Performance Waterproof-Breathable Fully Flexible?Tactile Sensor based on Piezotronics Coupled OFET”為題發表于Nano?Energy。

【圖文導讀】

為了獲得具有優異的力-電轉換功能的防水透氣的柔性信號輸入單元，我們將PVDF粉末溶解在N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶液中配制PVDF溶液；通過靜電紡絲得到PVDF NM。

圖1:?PVDF NM制備流程圖。a)壓電納米纖維制備原理圖；b)?壓電纖維制備流程實物圖；c)展示了PVDF NM具有良好的柔性。

為了檢測PVDF NM的成膜質量且更直觀地檢驗其防水透氣性，我們進行了一系列的實驗測試。

圖2：PVDF壓電纖維膜形貌和物理性能的表征。a),b)壓電纖維膜不同范圍的SEM圖像（a圖插圖為纖維直徑分布統計，b圖插圖為纖維膜接觸角測試圖）;c)，d）不同材料(Open, PET, PDMS, PVDF film and PVDF piezoelectric NM)覆蓋的小瓶在25℃下10天內的水蒸氣滲透性實驗和剩余水的質量；e)液氮作為研究對象的透氣性實驗；f)PVDF市售的粉末、制備的纖維膜和市售的β-PVDF薄膜的XRD圖像。

接下來，我們進行了一系列的測試來檢驗PVDF壓電纖維膜的壓電性能。

圖3，PVDF壓電纖維膜電學性能的表征。PFM測試得到的a)相位曲線（電滯曲線）和b)振幅曲線（蝴蝶曲線）；c)示波器捕獲的PVDF壓電纖維膜的電信號；d)PVDF壓電纖維膜對不同壓力刺激(重量0-200 g)的響應；e)圖d的實驗數據和擬合曲線；f)壓電纖維膜的響應/恢復時間。

上述材料在防水、透氣、響應速度等方面都表現出了優異的特性，但是由于很難捕捉到壓電模型在弱力作用下的微小變形所引起的電信號變化，上述壓電響應信號只能達到pA級，需要大型儀器才能捕捉到，不易獲取。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為信號輸出單元并測試了其電學傳輸性能。

圖4：OFET的構筑。a)OFET的結構示意圖；b)OFET截面的SEM圖像圖，插圖是OFET的結構圖；c)OFET的俯視圖，左側為偏光顯微鏡的圖像，右側為SEM圖像；d)e）通過AFM表征DPA薄膜的表面形貌和厚度；f)DPA薄膜的XRD譜圖。

圖5：DPA-OFET的電學特性。a)，b)DPA-OFET的轉移特性曲線；c),d)DPA-OFET的輸出特性曲線。

基于壓電效應的概念，即壓電勢能可以調控半導體中的電流，作為信號輸入單元的PVDF NM與作為壓電信號輸出單元的OFET相連，從而構建了PVDF-OFET壓電觸覺傳感器（PZTS）。為了驗證PVDF-OFET-PZTS的傳感性能，在不施加柵壓的情況下，檢測在外部刺激(10 g-200 g)的作用下，溝道電流的調制情況。

圖6：PVDF-OFET壓電觸覺傳感器。a)PVDF OFET-PZTS組成示意圖。PVDF NM與DPA-OFET并聯耦合；b)PVDF-OFET-PZTS對不同壓力刺激（重量從0g到200g）的響應；c)PVDF-OFET的實驗數據和靈敏度校準曲線；d)不同柵壓下(V_GS?=-10V到0V)溝道電流隨時間的變化；e)PVDF-OFET-PZTS的響應/恢復速度；f)壓電晶體管的循環性測試。

雖然上述PVDF-OFET-PZTS具有良好的傳感性能，但因OFET建立在硬質硅襯底上，不能彎曲，在實際應用中不便。因此，我們利用有機半導體的柔性特性探索了全柔性PVDF-OFET-PZTS的構筑及其對人體生理信號的檢測。

圖7：柔性PVDF-OFET-PZTS的組成及應用。a)柔性PVDF-OFET-PZTS的組成示意圖:PVDF NM與柔性DPA-OFET并聯耦合；b)柔性OFET和柔性瓶實驗的圖像；c)取放柔性瓶10次的圖像；d)、e)使用柔性PVDF-OFET-PZTS(彎曲角度為0°、5°、30°、60°和90°)的手指彎曲角度的定量測量的圖像和結果；f)實驗數據和擬合曲線；g)脈搏、h)聲音和i)行走信號的檢測。

【結論】

鑒于低成本的制造工藝、高透氣性和防水性，本研究在一次性和可貼合在皮膚上的電子產品中顯示出有前景的應用。且這種柔性壓電傳感器的防水，透氣/水，便攜，節能和全柔性為改進人機交互和可穿戴設備提供了一種新的思路。

【作者簡介】

殷愛玲，2020年畢業于菏澤學院，獲學士學位。目前在濟南大學高級交叉研究院（iAIR）攻讀碩士研究生。她的研究重點是防水透氣柔性傳感器的制造與應用以及FET器件的組裝。

王建，2021年畢業于濟南大學，獲碩士學位。之后，他成為重慶大學物理應用學院物理系的博士生。他的研究重點是柔性壓力傳感器的制造和應用，以及高性能摩擦電納米發電機的制造探索。

張叢叢副教授，天津大學理學院化學系博士。2017年獲得天津大學理學博士學位，同年加入濟南大學前沿交叉科學研究院。她的興趣是分子電子學，包括先進的功能超分子納米組件，以及基于FET的傳感器。

劉宏，山東大學晶體材料國家重點實驗室教授。他于2001年在山東大學獲得博士學位，目前主要從事與能源應用相關的納米材料的化學處理，包括光催化，組織工程等，重點研究干細胞與生物材料的納米結構以及非線性光學晶體之間的相互作用。