基于压电应变栅氧化物薄膜晶体管的柔性触觉传感器研究

Wearable flexible tactile sensors are widely used in in humanoid robots, human-robot interaction, electronic skin and so on. Piezoelectric tactile sensor has the advantages of fast dynamic response, high sensitivity, low energy consumption and even self-powered. In this project, aiming at the problems in the integrated piezoelectric flexible tactile sensor based on organic thin film transistor, such as small selection range of piezoelectric materials, low sensitivity, slow response speed, high operation voltage, a novel flexible tactile sensor based on piezoelectric-strained-gate oxide-semiconductor thin-film transistor (PGOSTFT) is proposed. Its outstanding feature is that a symmetrical dual-gate structure with top-gate and bottom gates is used with the high-mobility metal oxide semiconductor as the active layer, and the novel ZnO nanostructure with high piezoelectric coefficient and high flexibility acts as the piezoelectric-strained top-gate, thus simultaneously realizing the switch, sensing and signal amplification. This project will systematically study the tactile sensing mechanism, the gate-bias-controlled sensitivity mechanism, the cyclic bending degradation mechanism and so on. For device fabrication and process optimization, the dependence of device performance on device structure parameters, process parameters and shape of ZnO nanostructures will investigated. It is expected that a flexible tactile sensor with high sensitivity, fast dynamic response, low power consumption and high flexibility would be achieved.

可穿戴柔性触觉传感器在机器人、人机交互、电子皮肤等领域具有广泛的应用。压电式触觉传感器具有快速动态响应、高灵敏度、低能耗甚至自供电等优点。本项目针对目前基于有机薄膜晶体管的集成压电柔性触觉传感中存在的压电材料选择范围小、灵敏度不高、响应速度较慢、工作电压偏大等问题，创新地提出一种基于压电应变栅氧化物薄膜晶体管（PGOSTFT）的柔性触觉传感器，其突出特征是TFT采用上下对称双栅结构，有源层为高迁移率的氧化物半导体，高压电系数和高柔韧性的ZnO纳米结构充当压电应变顶栅，从而同时实现开关、传感和信号放大三大作用。本项目拟从理论系统研究压电触觉传感机理、灵敏度栅压调制机理、循环弯曲退化机理等；工艺层面探明器件性能与器件结构参数、工艺参数、ZnO纳米结构形状等之间内存关联及其规律，期望研制出一种具有高灵敏度、快速动态响应、低功耗和高柔韧性的集成柔性触觉传感器。

可穿戴柔性触觉传感器在在人体活动监测、医疗保健、疾病诊断、人工智能等领域具有广泛的应用前景。压电式触觉传感器因更接近人体的触觉感知，且具有快速动态响应、高灵敏度、低能耗甚至自供电等独特优势而倍受关注。围绕实现高灵敏度、高分辨率、快速响应、优异的柔弹性和稳定性等方面开展理论与实验研究具有重要科学意义和应用价值。.本项目针对目前基于有机薄膜晶体管的集成压电柔性触觉传感中存在的压电材料选择范围小、灵敏度不高、响应速度较慢、工作电压偏大等问题，提出了一种基于压电应变栅氧化物薄膜晶体管（PGOSTFT）的集成化触觉传感器，主要研究内容与重要成果如下：.（1）基于ZnO纳米结构柔性触觉传感器及其阵列研究，主要包括ZnO纳米材料的压电效应理论与仿真研究，ZnO纳米压电材料合成工艺与性能优化，基于ZnO纳米材料的柔性触觉传感器的结构设计、可控制备工艺与性能表征等。成功制备出一系列高性能柔性触觉传感器原型器件，器件最佳灵敏度达3.0 V/N，响应时间和恢复时间皆<50 ms，验证了其在压力及力分布探测、人体运动实时监测、生命体征监测等领域应用的可能性。.（2）基于氧化物半导体的薄膜晶体管与电路研究，主要包括ZnO基TFT低温制备工艺与性能优化，基于ZnO基TFT的放大电路设计与流片实现，探索基于ZnO基TFT传感器调理电路实现的可能性。基于PI柔性的单个IZO TFT器件的迁移率>30 cm^2/(Vs)，开关电流比>5*10^6，亚阈值摆幅<0.2 mV/Dec。与我校材料学院吴为敬教授合作，设计实现了基于n沟IZO TFT 50 dB增益的集成运算放大器。.（3）基于压电应变栅氧化物薄膜晶体管（PGOSTFT）的集成化触觉传感器研究，包括集成器件的结构设计、压电机理、制备工艺与性能优化等。集成传感器最高灵敏度为0.57 kPa^-1，灵敏度调控比为157.6，在35 mg干菊花重力作用下集成传感器的输出电压达250 mV。