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Science Advances 用于独立检测压力和温度的3D主动矩阵多模态传感器阵列

article 2025/1/27 9:33:42

研究背景同时独立地进行压力和温度传感对于创建复制人体皮肤复杂感觉功能的电子皮肤至关重要。带有传感器的薄膜晶体管（TFT）阵列实现了无串扰的空间传感。然而，半导体中电荷传输的热依赖性导致了热刺激和压力刺激之间的干扰。
创新点浦项科技大学Sungjune Jung，Sanghoon Baek和蔚山科学技术研究所Hyunhyub Ko开发了基于有源矩阵的三维集成的多模态传感器阵列，以独立检测温度和压力。我们的方法包括校准补偿，以解耦温度和压力信号。单个像素器件由一个基于 TFT 的压力传感器组成，该传感器位于基于 TFT 的温度传感器之上。检测到的温度用于补偿基于 TFT 的压力传感器的热效应。我们开发了大面积传感器阵列，能够准确检测二维压力和温度，并利用这些技术来演示先进的机器人抓手。无论温度如何，抓手都能稳定地抓取和举起杯子，证明了它们在类似皮肤的电子应用中的可能性。在这里插入图片描述

文章解析图1：多模态 3D 传感器阵列的设计。（A）由压力传感有源矩阵和温度传感有源矩阵组成的 10 x 10 多模态 3D 传感器阵列的 3D 示意图。（B）在超薄衬底上制造的 10 x 10 3D 堆叠有源基体的照片。比例尺，1 cm。（C）多模态 3D 传感器的横截面示意图和（D）电路。（E） rGO/PVDF 微球结构的扫描电子显微镜图像。比例尺，25 μm。插图：单个微球结构。比例尺，5 μm。（F） 3D 堆叠过程之前（左）和之后（右）半导体区域的光学显微镜图像。在这里插入图片描述
图2：多模态 3D 传感器的电气特性。（A）顶部 TFT 制造过程前后底部 TFT 的典型转移特性。（B） 25 对底部和顶部 TFT 的传输特性。从传输特性（n = 25）中提取的（C）载流子迁移率（μ）、（D）阈值电压（VTH）和（E）亚阈值斜率（SS）的直方图。（F）顶部基于 TFT 的压力传感器在 0 至 20 kPa 压力增加时的传输特性。（G）顶部 TFT 的漏极电流（IP）和压阻片的电阻与施加的压力呈函数关系。（H）在加载和卸载循环期间，相对电流（IP/IP0）与施加的压力的函数关系。插图：放大的 IP/IP0-P 曲线介于 0 和 0.9 kPa 之间。（I）压力传感器对从 0 到 20 kPa 逐渐增加的压力负载的实时响应。（J）底部基于 TFT 的温度传感器在 25°C 到 50°C 温度升高时的传输特性。（K）载流子迁移率和底部 TFT 的阈值电压与环境温度的关系。（L）加热和冷却循环期间相对电流（IT/IT0）与环境温度的函数关系。（M）温度传感器对温度从 25° 逐渐升高到 50°C 的实时响应。在这里插入图片描述
图3：校准补偿，不受温度影响的压力检测。（A）顶部压力传感器的相对电流与各种温度下施加的压力的函数关系。（B）在各种压力下，顶部压力传感器的相对电流与环境温度的关系。（C）校准补偿后，顶部压力传感器在不同温度下的相对电流与施加压力的关系。（D） IP 值随温度在 25° 至 50°C 之间的变化。（E）作为温度函数的导出压力值和实际压力值之间的差异。
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图4：用于空间测量的多模态 3D 传感器阵列。（A） 10 x 10 多模态 3D 传感器阵列的 3D 示意图，其中两个物体重量相同但温度不同（25° 和 50°C）。插图：放大的 3D 示意图，显示了热物体引起的变形和热传递。（B）基于 National Instruments PXI 平台和开关矩阵的定制阵列测量系统的照片。（C）从压力传感有源矩阵测量的相对电流变化热图，无需补偿。（D）从温度感应有源矩阵测量的相对电流变化热图，用于校准补偿。（E）从带补偿的压力感应有源矩阵测量的相对电流变化的热图。在这里插入图片描述
图5：应用于机器人抓手。（A）盛有热水的杯子和配备多模态 3D 传感器阵列的机器人抓手的照片。插图：连接到柔性扁平电缆（FFC）的多模态 3D 传感器阵列的后视图，用于机器人演示。（B）由反馈系统控制的机器人夹持器示意图。（C）从多模态传感器阵列测量的实时压力数据，无补偿和有补偿。抓手（D）失败和（E）成功抬起热杯的快照。从多模态传感器阵列测量的（F）压力和（G）温度的时空读数，并带有校准补偿。读后感作者提出了一种使用 3D 晶体管对晶体管有源矩阵设计的多模态传感器阵列，用于压力和温度的精确空间测量，展示了卓越的刺激可区分性。每个传感器像素由集成在高灵敏度压阻片材上的单片堆叠 3D TFT 组成，表现出可靠的性能。我们的传感器阵列有助于在单个点同时检测温度和压力。为了解决对压力读数的不良热效应，我们开发了一种校准补偿方法，利用线性和一致的温度灵敏度。这种补偿过程显著减轻了温度引起的误差，使传感器阵列能够测量压力和温度的空间分布，而不会产生信号失真。