據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，日本大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所（SANKEN）、大阪大學(xué)先進(jìn)光子學(xué)與生物傳感開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室（Advanced Photonics and Biosensing Open Innovation Laboratory, AIST-Osaka University）聯(lián)合奧利地的一家研究機(jī)構(gòu)共同開發(fā)了一款超柔性有機(jī)12 × 12有源矩陣傳感器片，該傳感器片是一種貼附于皮膚幾乎無感的人工電子皮膚，其中的壓電傳感器和開關(guān)晶體管通過單片集成方式制作在僅1μm薄的聚合物襯底上。該傳感矩陣是第一個(gè)將高空間分辨率與多路復(fù)用和超柔性相結(jié)合的觸覺和生物信號(hào)監(jiān)測(cè)矩陣。

圖1 超柔性鐵電有源矩陣傳感器片作為一種無感的多參數(shù)傳感電子皮膚

圖1a為具有單個(gè)像素層堆疊的超柔性有機(jī)有源矩陣（AM）傳感器片的設(shè)計(jì)示意圖，圖1b為處理后的超柔性有源矩陣傳感器片的照片（左）和單個(gè)像素的詳細(xì)視圖（右），圖1c為獨(dú)立超薄有源矩陣傳感器膜的照片（左）和其附著在人體皮膚上的照片（右），該傳感器片形成一種增強(qiáng)型或電子傳感器皮膚。

圖2 超柔性鐵電傳感器片的性能

如圖2a照片的插圖所示，電容器狀傳感器結(jié)構(gòu)包括夾在兩個(gè)熱蒸發(fā)的鋁（Al）金屬層之間的旋涂半結(jié)晶鐵電共聚物聚（偏二氟乙烯:三氟乙烯）（P（VDF:TrFE）70:30）層。為了激活其鐵電性能，研究人員向鐵電層施加電場(chǎng)E，該電場(chǎng)必須大于其矯頑場(chǎng)Ec。該電極化步驟使晶疇對(duì)齊，并在整個(gè)樣品體積中誘導(dǎo)宏觀極化。

當(dāng)鐵電疇中的偶極子改變?nèi)∠驎r(shí)，極化電流在矯頑場(chǎng)Ec附近達(dá)到峰值。圖2d是直方圖，圖2e是傳感器陣列中144個(gè)像素殘余偏振的3D圖。為了研究超柔性壓電傳感器的傳感性能，研究人員進(jìn)行了溫度和機(jī)械應(yīng)力測(cè)試。為此，傳感器樣品負(fù)載的梯形階梯力，最大范圍在0.15N至10N之間。

該有源矩陣傳感器片由有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）驅(qū)動(dòng)，該晶體管與傳感器集成在單個(gè)襯底上，如圖1a所示。在傳感器矩陣概念中，處理單個(gè)像素的電子元件由一個(gè)有機(jī)薄膜晶體管構(gòu)成，該有機(jī)薄膜晶體管切換由源到地（source-to-ground）路徑中的換能器像素生成的電流。由于壓電/熱電換能器在機(jī)械或熱激勵(lì)下自行產(chǎn)生電荷，因此不需要漏極電源電壓。

圖3 在1μm薄的聚對(duì)二甲苯薄膜上制造的12 × 12有源矩陣中的超柔性有機(jī)薄膜晶體管的典型電氣特性

為了實(shí)現(xiàn)良好的傳感器像素性能和矩陣運(yùn)算，有機(jī)薄膜晶體管需滿足以下要求：首先，在關(guān)斷狀態(tài)下，晶體管的關(guān)斷電阻應(yīng)該非常高，這樣傳感器電流就只流過傳感器的內(nèi)阻，而不經(jīng)過有機(jī)薄膜晶體管；其次，晶體管的導(dǎo)通電阻應(yīng)該很低，使得產(chǎn)生的大多數(shù)傳感器電流流過晶體管通道，而不流過傳感器的內(nèi)阻；第三，導(dǎo)通開關(guān)晶體管所需的工作電壓Vgs應(yīng)該非常低，以使矩陣能夠應(yīng)用于節(jié)能、便攜以及電池供電的無線設(shè)備。該有機(jī)薄膜晶體管都在低于3V的電壓下工作（意味著Vthr（閾值電壓）和Von（輸出噪聲電壓）都小于?3V），因此可以由商用薄膜電池供電（一種常見的鋰聚合物電池供電電壓約為3.7V）。此外，有機(jī)薄膜晶體管表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。

圖4 超柔性有源矩陣觸覺傳感器片

該超柔性有源矩陣傳感器片包含12行12列，像素大小為3.8 mm × 2.9 mm，總有源傳感面積為35 mm × 45 mm，并在1 μm薄的聚對(duì)二甲苯襯底上進(jìn)行制作。使用無線數(shù)據(jù)采集模塊操作的有源矩陣片的等效電路如圖4a所示。

圖5 人體無感的電子健康貼片

為了證明該超柔性傳感器片在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的潛力，研究人員在受試者橈動(dòng)脈上方貼附了一個(gè)鐵電傳感器陣列，以監(jiān)測(cè)其脈搏波的傳播（見圖5）。左上角的插圖顯示了電子健康貼片的方案，通過該貼片，附著在皮膚上的超柔性鐵電傳感器陣列感知受試者脈搏波及其傳播信號(hào)。從這些生物信號(hào)中可提取人體心血管參數(shù)（心率、心率變異性、脈搏波速度、血壓），從而確定人體心血管是否健康。鐵電傳感器監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈血流的潛力通過從兩個(gè)貼附到手腕上的鐵電傳感器陣列中隨機(jī)選擇的傳感器來證明。傳感器像素S4和S2的脈搏波信號(hào)（圖5右下插圖）清楚地示出了脈搏波信號(hào)的傳播。

綜上所述，在這項(xiàng)研究工作中，研究人員展示了一種在聚合物襯底上制造的超柔性有源矩陣傳感器片。通過基于DNTT或C10-DNTT有機(jī)半導(dǎo)體的有機(jī)薄膜晶體管實(shí)現(xiàn)了多刺激響應(yīng)的有機(jī)鐵電傳感器像素的尋址。該傳感器片的總厚度僅為2.8 μm，像素為12 × 12，每個(gè)像素3.8 mm x 2.9 mm。144個(gè)有機(jī)薄膜晶體管和傳感器在整個(gè)矩陣上都具有顯著的性能均勻性和高偏置應(yīng)力穩(wěn)定性功能。

研究人員還成功地展示了該超柔性有源矩陣傳感器片的實(shí)時(shí)操作，該傳感器片具有8 × 3像素的子集，用于檢測(cè)不同的觸摸模式（指尖敲擊和滑動(dòng)），沒有任何串?dāng)_，空間分辨率為幾毫米。該有源矩陣傳感器片具有足夠高的靈敏度和操作速度，可以監(jiān)測(cè)到低生物信號(hào)，具有良好的時(shí)空分辨率。

審核編輯：劉清