大连理工 AFM：鱼和熊掌兼得！基于双压电-光电晶体管的压力映射交互系统同时实现高动态范围和压力灵敏度

【背景介绍】

压力测绘传感器是一种重要的电气探测器，在仿生机电、人工智能、医疗辅助设备等领域得到广泛的发展和应用。具有高动态范围（DR）和高压力灵敏度的高性能触觉系统，对人机交互和医疗监控设备等至关重要，能够在较大的检测范围内准确地感测较小的力变化。通过微处理将电阻或电容芯片用作压力监测器，其压力检测范围足够大（30-60 dB），但是灵敏度较低（0.1-2.0 µS kPa^-1），不能完全满足高DR和高压力灵敏度的要求。近些年来，基于压电的压力传感器和基于电容式或电晶体管压力传感器被广泛研究。然而，该类压力传感器件受到压力动态范围和测量精度的限制，阻碍了其实际工程应用发展。

【成果简介】

近日，大连理工大学的宋金会教授、江诚鸣副研究员和李奇昆博士（共同通讯作者）等人报道了一种基于双压电光电晶体管（DPTs）的创新压力映射交互（PMI）系统，其能够在宽输出范围内检测出大的压力梯度，从而提供了更多的触觉细节。所制备的DPT将压电-纳米线（NWs）通道和压电-有机发光二极管（OLED）栅极集成为一个模块，从而双重增强了压电-光电效应，其在有效工作区域内具有120 dB的高DR和61.2 µS kPa^-1的高压力灵敏度。此外，通过将小型DPT用作PMI像素，器件可以在优化的阵列结构中获得5 µm的高位置分辨率。该研究成果展示了压电OLED栅极-压电纳米线通道双增强效应，并展示了用于设计和应用PMI的方法，有望于实现高探测精度和动态范围的电子皮肤等应用。研究成果以题为“High-Dynamic-Range Pressure Mapping Interactions by Dual Piezo-Phototronic Transistor with Piezo-Nanowire Channels and Piezo-OLED Gates”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、DPT PMI系统的示意图、制造工艺和显微图像
（a）具有双压电光电晶体管（DPT）阵列的DPT PMI系统的示意图；

（b）DPT PMI系统结构的结构示意图；

（c）DPT PMI系统的制备步骤；

（d）压电NWs阵列通道SEM图；

（e）水热法ZnO NWs阵列、OLED侧面 SEM图及器件显微镜图。

图二、压电-NW通道和压电-OLED栅极的压电-光电特性
（a）不同光强度下横向NW通道的电流-电压曲线（波长370 nm，压力0 kPa）；

（b）不同压力下横向NW通道的电流-电压曲线（波长370 nm，光照强度0.3mW/cm²）；

（c）施加（无）压力情况下ZnO NW通道的能级示意图；

（d）不同的压力下NW通道循环响应测试；

（e）压电OLED栅极的电致发光特性；

（f）施加压力下，压电OLED栅极的电流-电压特性；

（g）施加（无）压力情况下，ZnO NW和TAZ层接触的能带示意图；

（h）不同的压力下，压电OLED循环响应测试。

图三、具有双压电晶体管的DPT器件特性
（a）施加压力下，DPT装置的示意图;

（b）DPT在不同偏置电压下的I_D-V_G特性（输入压力0 kPa）;

（c）DPT在不同压力下的I_D-V_G特性（V_D=4.5 V）;

（d）DPT在不同压力下的V_D-I_G输出特性（V_G=4.5 V）;

（e）压力对DPT的响应输出的调制特性;

（f）DPT的压力循环响应测试。

图四、10×10 DPT阵列的PMI系统的压力传感和触觉成像
（a）DPT PMI系统采集原理示意图；

（b）DPT PMI系统的电路原理示意图；

（c） PMI系统像素漏极电流（I_D）输出特性（V_G=3.5 V，V_D=2.0 V）；

（d）PMI系统的本底噪声和施加压力情况下输出分布；

（e）单点外力的漏极电流信号；

（f）单点压力采集输出特性；

（g）多点采集示意图及输出特性；

（h）不同测试图形的电流输出的空间分布。

【小结】

综上所述，作者展示了一种具有宽动态范围和高压灵敏度的DPT像素的PMI器件，以及利用PMI进行压力成像测试。该DPT在其工作压力范围内，可提供5 µm分辨率、120 dB动态响应和高达61.2 µS kPa^-1的压力灵敏度。该基于DPT阵列的PMI系统利用了压电-光电效应的双重增强效改善了压力传感器的精度和动态范围，对各种精度和测量范围要求的领域有很高的应用价值。同时，作者在集成DPT PMI的交互系统测试中发现，DPT PMI可以迁移到具有更复杂的空间结构和更高分辨率的交互系统中。总之，该项工作在人机交互系统中具有很高的潜在应用价值，或许将来此类DPT器件可以集成到更广泛的应用中，实现更高性能的压力互感接口，助力于人工智能技术、神经网络系统等的未来发展。

文献链接：High-Dynamic-Range Pressure Mapping Interactions by Dual Piezo-Phototronic Transistor with Piezo-Nanowire Channels and Piezo-OLED Gates（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004724）

通讯作者简介

宋金会，大连理工大学机械学院教授，主要从事纳米材料与器件，尤其是半导体纳米材料及其在光电子领域中的应用。目前已经在Science、Nano Lett.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、JACS、ACS Nano等国际期刊发表论文60余篇，引用次数大于16000，h-index 32。主要研究方向包括半导体纳米材料以及高清数字图像传感器、纳米发电及超级电容绿色能源系统、可调谐纳米线光电传感等。

江诚鸣，大连理工大学机械学院副研究员。于美国阿拉巴马大学取得博士学位，获“国家优秀自费留学生奖”、大连理工大学“星海优青”、“辽宁省百千万人才”、“大连市青年科技之星”等称号。在微纳光电与传感研究方面取得了一系列具有国际重要影响力的原创性研究成果，承担国家自然基金项目等7个横纵向课题，在国内外发表SCI期刊论文多篇，包括Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、ACS Nano、Nano Lett.、Small等，拥有国际国内专利多项，担任多个国际著名期刊审稿人。

李奇昆，大连理工大学机械学院博士,主要从事柔性电子器件、微纳制造及光电传感方面的研究工作，在半导体微纳加工、柔性电子制造方面经验丰富，在国际刊物发表期刊论文十余篇，包括ACS Nano、 Nano Energy、ACS Appl. Mater. Interfaces等。

本文由CQR编译。

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