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CN111521300A - 一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器及其制备方法 Download PDF

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CN111521300A
CN111521300A CN202010345209.7A CN202010345209A CN111521300A CN 111521300 A CN111521300 A CN 111521300A CN 202010345209 A CN202010345209 A CN 202010345209A CN 111521300 A CN111521300 A CN 111521300A
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刘卫华
张嘉贺
贾瑞强
苑菀彬
李昕
韩传余
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Xian Jiaotong University
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Abstract

本发明公开的一种具有静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器及其制备方法，包括双电极的摩擦电纳米发电机和柔性薄膜晶体管；其中柔性薄膜晶体管栅极与摩擦纳米发电机的一个电极相连，栅极电压受摩擦电纳米发电机控制，摩擦纳米发电机输出信号和薄膜晶体管沟道电流分别作为两路不同传感信号输出。传感器柔性衬底的上表面铺设有半导体沟道层、摩擦电栅电极，半导体沟道层的两端分别铺设有源电极、漏电极，半导体沟道层与摩擦电栅电极的上表面覆盖有离子凝胶，柔性封装膜覆盖在整个器件表面。本发明制备的具有静态/动态双信号输出的摩擦电触觉传感器的方法其工艺过程明了、简单，制备出的具有静态/动态双信号输出的摩擦电触觉传感器传感性能好、寿命高，适合批量化生产加工。

Description

一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性电子的触觉传感器技术领域，具体为一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器及其制备方法。
背景技术
人工智能的快速发展和人机交互需求的日益提升对触觉传感技术提出了迫切的需求，目前的人工智能机器人仍主要依赖“视觉”和“听觉”等感知系统与环境交互。缺乏“触觉”感知能力仍然是目前智能机械人存在的重大短板，完整触觉功能的实现包含几个重要的环节：触觉信息的获取，触觉信息的传输、处理以及最终的触觉判断；触觉传感器是触觉信息获取的核心元件，其工作方式及其触觉信号的形式，对后续的信号传输、处理以及触觉判断的实现方式有着重要影响。
但目前的触觉传感器仍然存在着诸多不足，基于压力分布图像的触觉传感模式，在信息的传输、存储和处理等环节都将面临巨大挑战，单纯依赖中央处理器对压力分布图像进行分析，无法获取快速变化的动态触觉信息，必须寻找能与之配合的其它传感模式。触觉信息应该分不同信道传输，以便中央处理器及时响应那些重要的“事件”，根据触觉传感器的分布式特征，触觉信息需要边传输边处理，通过信号的选择和预处理，减轻中央处理器的负担。这要求传感器具有多种不同的输出信号，并将其主动输出的能力。
发明内容
针对现有技术中不能同时输出静动态双信号的问题，本发明提供一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器及其制备方法，将摩擦电型触觉传感器和场效应晶体管相结合的新型触觉传感器，实现压力分布图像获取和动态触觉信息捕捉的双工作模式。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器包括柔性薄膜晶体管，以及覆盖在其顶部的摩擦电纳米发电机；
当摩擦电纳米发电机受压，则与柔性薄膜晶体管的栅极接触产生电脉冲，使摩擦电纳米发电机的输出信号和柔性薄膜晶体管的电流分别作为动态和静态信号输出。
优选的，所述柔性薄膜晶体管包括半导体沟道层、源电极、漏电极和摩擦电栅电极；
所述半导体沟道层分别与源电极、漏电极电连接；
当摩擦电栅电极与摩擦电纳米发电机接触，摩擦电纳米发电机输出的栅极电场改变半导体沟道层的载流子浓度，用于改变半导体沟道层的电流变化以提供静态信号。
优选的，所述源电极和漏电极分别与半导体沟道层搭接，摩擦电栅电极通过离子凝胶与半导体沟道层连接。
优选的，所述摩擦电纳米发电机为柔性封装膜，其表面设置有穹顶凸起结构，并位于柔性薄膜晶体管的栅极的上方；
当穹顶凸起结构与柔性薄膜晶体管的栅极接触，用于输出充放电脉冲以提供动态触觉信号。
优选的，所述柔性薄膜晶体管和摩擦电纳米发电机铺设在柔性衬底上；
所述柔性薄膜晶体管包括半导体沟道层、源电极、漏电极和摩擦电栅电极；
所述源电极和漏电极分别搭接在半导体沟道层的两端，摩擦电栅电极间隔设置在半导体沟道层的一侧，摩擦电栅电极和半导体沟道层的上表面覆盖有离子凝胶；
所述摩擦电纳米发电机为柔性封装膜，其覆盖在柔性薄膜晶体管的顶面。
优选的，所述柔性衬底的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯；
所述半导体沟道层的材质为铟镓锌氧化物；
所述源电极、漏电极、摩擦电栅电极的材质为金；
所述离子凝胶的材质为1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺；
所述柔性封装膜的材质为硅胶。
优选的，所述柔性衬底的厚度为0.5mm；
所述半导体沟道层的厚度为100nm；
所述源电极、漏电极和摩擦电栅电极的厚度均为300nm；
所述柔性封装膜的厚度为0.5mm。
上述静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用磁控溅射法，在柔性衬底的上表面上溅射图案化的半导体沟道层，得到第一复合结构；
步骤2、采用磁控溅射法，在第一复合结构的上表面溅射图案化的源电极、漏电极和摩擦电栅电极，并使源电极、漏电极分别与半导体沟道层连接，摩擦电栅电极与半导体沟道层间隔设置，得到第二复合结构；
步骤3、在摩擦电栅电极和半导体沟道层的上表面旋涂图案化的离子凝胶，并通过紫外光照射固化，形成第三复合结构；
步骤4、通过翻模工艺制备的具有圆形穹顶凸起结构的柔性封装膜，并将其铺设在第三复合结构的顶面，得到摩擦电触觉传感器。
优选的，步骤1中，所述磁控溅射时，气氛为氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比为100:(1～5)，溅射时间为50min。
优选的，步骤3中紫外光的波长为365nm，照射时长为60s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器，包括柔性薄膜晶体管和摩擦电纳米发电机，形象两路有效的动静态输出信号，一是摩擦电因充放电而由摩擦电纳米发电机的栅极释放的电脉冲；二是静电感应改变沟道载流子浓度进而引起的沟道电导的变化，即源电极和漏电极之间流通电流大小的变化。前者可提供动态触觉信息，用于提取与纹理、滑动和“触碰”“分离”等相关信息；后者通过阵列化集成可提供压力分布信息；当以充放电脉冲作为触觉传感信号时，摩擦电触觉传感器工作于发电机触觉传感模式；当以沟道电流变化作为触觉传感信号时，摩擦电触觉传感器工作于压力分布触觉传感模式，将摩擦电纳米发电机和场效应晶体管相结合的触觉传感器，实现压力分布图像获取和动态触觉信息捕捉的双工作模式。
本发明提供的静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器的制备方法，使用翻模工艺制备的柔性封装膜具有圆形凸起的形状，可以有效地隔绝器件阵列单元之间的振动串扰，提高器件阵列对压力作用点的分辨能力；该方法其工艺过程明了、简单，制备出的具有静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器传感性能好、寿命高，适合批量化生产加工。
附图说明
图1为本发明摩擦电触觉传感器的外观图；
图2为本发明摩擦电触觉传感器的内部结构示意图；
图3为本发明制备的半导体沟道层的结构示意图；
图4为本发明制备的源电极、漏电极和摩擦电栅电极的结构示意图；
图5为本发明制备的离子凝胶的结构示意图；
图6为本发明制备的柔性封装膜的结构示意图。
图中：1、柔性衬底；2、半导体沟道层；3、源电极；4、漏电极；5、摩擦电栅电极；6、离子凝胶；7、柔性封装膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1和2，一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器，包括柔性衬底1、柔性薄膜晶体管和摩擦电纳米发电机。
柔性薄膜晶体管包括半导体沟道层2、源电极3、漏电极4、摩擦电栅电极5、离子凝胶6。
所述半导体沟道层2铺设在柔性衬底1的上表面，源电极3和漏电极4分别铺设在半导体沟道层2的两端，摩擦电栅电极5间隔铺设在半导体沟道层2的一侧，离子凝胶6覆盖在半导体沟道层2和摩擦电栅电极5的上表面。
摩擦电纳米发电机为柔性封装膜7，其覆盖在柔性薄膜晶体管的顶面。
作为本发明优选的实施方案，源电极、漏电极和摩擦电栅电极的材质均为金，源电极、漏电极、摩擦电栅电极的厚度均为300nm。
所述离子凝胶的材质为1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺。
所述柔性封装膜的材质为硅胶，形状为带有圆形穹顶凸起结构，柔性封装膜的厚度为0.5mm。
柔性衬底1的材质为PET，其厚度为0.5mm。
半导体沟道层的材质为氧化铟镓锌，其厚度为100nm，
本发明的具有静态/动态双信号输出的摩擦电触觉传感器在使用时，在源电极、漏电极间施加10V的电压，并测量通过两个电极之间的电流大小，压力的大小反映为电流的大小；当摩擦电触觉传感器受到按压时，柔性封装膜将与摩擦电栅电极接触摩擦，使摩擦电栅电极输出摩擦电产生的电脉冲，同时摩擦电栅电极上产生的电荷经过离子凝胶的电荷集中之后，将正电荷产生的电场作用于IGZO半导体沟道上，使基于IGZO的场效应晶体管开启，进行信号的输出。使用翻模工艺制备的柔性封装膜具有圆形凸起的形状，可以有效地隔绝器件阵列单元之间的振动串扰，提高器件阵列对压力作用点的分辨能力。
参阅图4-图6，参照图2，上述静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，利用磁控溅射工艺在柔性衬底1的上表面上溅射图案化的IGZO沟道材料，在柔性衬底1的表面形成半导体沟道层2，得到第一复合结构；
步骤2，利用磁控溅射工艺在第一复合结构的上表面溅射图案化的源电极3、漏电极4、摩擦电栅电极5，并使源电极3和漏电极4分别位于半导体沟道层2的两端，摩擦电栅电极5位于半导体沟道层2的一侧，得到第二复合结构；
步骤3，在第二复合结构的上表面旋涂一层图案化的离子凝胶6，并通过紫外光照射固化，形成第三复合结构；
步骤4，通过翻模工艺制备的具有圆形穹顶凸起结构的柔性封装膜，并将其铺设在第三复合结构的上表面，完成传感器的制备。
作为本发明优选的实施方案，制备图像化结构时，采用掩膜板。步骤1中，利用磁控溅射工艺在柔性衬底1的上表面上溅射图案化的IGZO沟道材料时，氩气与氧气的气体流量比为100:1，时间为50min。
步骤3中，紫外光的波长为365nm，照射时长为60s。
本发明公开一种具有静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器，其力电转换器包含一个双电极的摩擦电纳米发电机和一个柔性薄膜晶体管；其中柔性薄膜晶体管栅极与摩擦纳米发电机的一个电极相连，栅极电压受摩擦电纳米发电机控制。摩擦纳米发电机输出信号和薄膜晶体管沟道电流分别作为两路不同传感信号输出。
本发明具有以下有益的技术效果：
由于动态触觉信息主要通过发电机触觉传感模式捕捉，压力分布触觉传感模式主要负责压力空间分布信息，压力分布图像的扫描采样频率可大幅度降低，从而解决触觉信息在传输、处理和最终的触觉判断过程中面临的瓶颈问题；两种触觉信息以不同的途径传输，其中主动输出的电脉冲可作为压力分布扫描采样电路的唤醒信号，使得器件平时处于极低功耗的休眠状态。这种“事件驱动”的工作模式，非常有利于智能机器人中分布式触觉传感功能的实现。
制备时，在传感器柔性衬底的上表面铺设有半导体沟道层、摩擦电栅电极，半导体沟道层的两端分别铺设有源电极、漏电极，半导体沟道层与摩擦电栅电极的上表面覆盖有离子凝胶，柔性封装膜覆盖在整个器件表面；该静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器其制备工艺过程明了、简单，制备出的具有静态/动态双信号输出的摩擦电触觉传感器传感性能好、寿命高，适合批量化生产加工。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器，其特征在于，包括柔性薄膜晶体管，以及覆盖在其顶部的摩擦电纳米发电机；
当摩擦电纳米发电机受压，则与柔性薄膜晶体管的栅极接触产生电脉冲，使摩擦电纳米发电机和柔性薄膜晶体管分别输出动态信号和静态信号。
2.根据权利要求1所述的一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器，其特征在于，所述柔性薄膜晶体管包括半导体沟道层(2)、源电极(3)、漏电极(4)和摩擦电栅电极(5)；
所述半导体沟道层(2)分别与源电极(3)、漏电极(4)和摩擦电栅电极(5)电连接；
当摩擦电栅电极(5)与摩擦电纳米发电机接触，摩擦电纳米发电机输出的栅极电场改变半导体沟道层(2)的载流子浓度，用于改变半导体沟道层(2)的电流变化以提供静态信号。
3.根据权利要求1所述的一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器，其特征在于，所述源电极(3)和漏电极(4)分别与半导体沟道层(2)搭接，摩擦电栅电极(5)通过离子凝胶(6)与半导体沟道层(2)连接。
4.根据权利要求1所述的一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器，其特征在于，所述摩擦电纳米发电机为柔性封装膜，其表面设置有穹顶凸起结构，并位于柔性薄膜晶体管的栅极的上方；
当穹顶凸起结构与柔性薄膜晶体管的栅极接触，用于输出充放电脉冲以提供动态触觉信号。
5.根据权利要求1所述的一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器，其特征在于，所述柔性薄膜晶体管和摩擦电纳米发电机铺设在柔性衬底(1)上；
所述柔性薄膜晶体管包括半导体沟道层(2)、源电极(3)、漏电极(4)和摩擦电栅电极(5)；
所述源电极(3)和漏电极(4)分别搭接在半导体沟道层(2)的两端，摩擦电栅电极(5)间隔设置在半导体沟道层(2)的一侧，摩擦电栅电极(5)和半导体沟道层(2)的上表面覆盖有离子凝胶(6)；
所述摩擦电纳米发电机为柔性封装膜(7)，其覆盖在柔性薄膜晶体管的顶面。
6.根据权利要求5所述的一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器，其特征在于，所述柔性衬底(1)的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯；
所述半导体沟道层(2)的材质为铟镓锌氧化物；
所述源电极(3)、漏电极(4)、摩擦电栅电极(5)的材质为金；
所述离子凝胶(6)的材质为1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺；
所述柔性封装膜(7)的材质为硅胶。
7.根据权利要求5所述的一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器，其特征在于，所述柔性衬底(1)的厚度为0.5mm；
所述半导体沟道层(2)的厚度为100nm；
所述源电极(3)、漏电极(4)和摩擦电栅电极(5)的厚度均为300nm；
所述柔性封装膜(7)的厚度为0.5mm。
8.一种权利要求1-7任一项所述的一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用磁控溅射法，在柔性衬底(1)的上表面上溅射图案化的半导体沟道层(2)，得到第一复合结构；
步骤2、采用磁控溅射法，在第一复合结构的上表面溅射图案化的源电极(3)、漏电极(4)和摩擦电栅电极(5)，并使源电极(3)、漏电极(4)分别与半导体沟道层(2)连接，摩擦电栅电极(5)与半导体沟道层(2)间隔设置，得到第二复合结构；
步骤3、在摩擦电栅电极(5)和半导体沟道层(2)的上表面旋涂图案化的离子凝胶(6)，并通过紫外光照射固化，形成第三复合结构；
步骤4、通过翻模工艺制备的具有圆形穹顶凸起结构的柔性封装膜(7)，并将其铺设在第三复合结构的顶面，得到摩擦电触觉传感器。
9.根据权利要求8所述的一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述磁控溅射时，气氛为氩气和氧气，氩气与氧气的气体流量比为100:(1～5)，溅射时间为50min。
10.根据权利要求8所述的一种静动态双信号输出的摩擦电触觉传感器的制备方法，其特征在于，步骤3中紫外光的波长为365nm，照射时长为60s。
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