电子皮肤触觉传感的原理及应用

热电器件作为可持续能源转化技术中重要一员，尚未在柔性电子领域展开广泛应用，主要瓶颈来自于主流高性能无机半导体热电材料柔性化困难，而有机基热电材料性能普遍较低；虽然近期在有机/无机复合热电材料性能提升上有所突破，但其器件结构多为平面型，通过较长的热电臂在面内建立足够温差以实现输出，这与面向电子皮肤应用中垂直于器件方向分布的热流不匹配。因此，如何构筑基于有机热电材料的面外型器件，并集成到柔性多功能电子器件中，成为一大挑战；同时，实现电子皮肤对外界多种刺激信号的独立响应依然是当前柔性传感器件发展所面临的难点。

北京时间8月31日，北京航空航天大学材料科学与工程学院王瑶、邓元等在Advanced Energy Materials上发表了题为“Flexible 3D architectured Piezo/Thermoelectric Bimodal Tactile Sensor Array for E-Skin Application”的研究论文。论文报道了一种三维垂直结构的压力/温度二元触觉传感阵列电子皮肤，器件的全新结构设计和所基于的压-电/热-电能源转化原理，赋予了电子皮肤压力和温度独立响应、互无干扰及主动传感的特点，且温度响应迅速（0.37 s）、灵敏度高(109.4 μV/K)、在宽压力范围内（100 Pa-20 kPa）都保持高灵敏度；在高湿度环境、一定的拉伸/弯曲应变状态下均能保持传感功能，稳定性、可靠性高。该研究为实现有机热电材料在多功能电子皮肤的应用迈进了一步。 该电子皮肤基于全有机压电P(VDF-TrFE)薄膜和热电PANI基复合材料。为实现器件三维结构构筑，首先发展了基于PANI复合薄膜的三维体材料，再结合激光对压电聚合物图案化加工与丝网印刷电极工艺，实现了二元触觉传感阵列电子皮肤（图1）。通过巧妙的电极连接设计，不但实现了器件集成，更实现了基于压-电/热-电能量转化原理产生的电压独立输出，有限元计算模拟了传感器中温场和电势分布（图2）。

图1. 压力/温度二元传感阵列电子皮肤的三维结构设计与集成工艺。(a) 激光加工结合丝网印刷工艺制备电子皮肤工艺流程图；(b, c) 44传感阵列结构示意图及贴附于手背的电子皮肤实物图。

图2. 基于压电、热电效应的压力/温度传感原理及有限元模拟 该电子皮肤在实际应用场景中展现出优异的触觉主动传感功能，对压力和温度信号能准确辨别、互无干扰，且功能的实现均无需外加电源。例如，戴着贴有电子皮肤的手套触摸一杯温水，可实时监测到与触碰动作同步的压力并感知水温；同时，通过信号采集与电路编程在LED屏上初步验证了人机交互功能 （图3）。该44传感器阵列的电子皮肤能准确分辨外界微弱刺激的空间分布，如质轻的泡沫放置压力和人体体温与环境的温差（图4）。本研究显示出基于压电/热电三维结构的二元触觉传感阵列在电子皮肤应用的潜力。

图3. 电子皮肤触觉传感的实际应用。(a) 脉搏波监测；(b) 关节弯曲；(c) 发音；(d) 触碰温水杯动作中压力和温度信号独立实时同步传感；(e-f)人机交互初步应用

图4. 传感阵列对外界微小刺激的准确响应及空间分辨。(a-c)手指触摸电子皮肤，在对应的传感单元上同时输出压力和温度信号；(d-f) 施加质轻物体如泡沫，所接触的传感单元输出的压力信号，此物体与环境没有温差因而表现出环境温度。 北京航空航天大学材料学院王瑶副教授与邓元教授为本文的共同通讯作者，北航材料学院博士生朱鹏程为本文第一作者，该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和北航青年拔尖人才计划的资助，以及北航杭州创新研究院和北京市生物医学工程高精尖创新中心的支持。