河南大学AFM：柔性高分辨摩擦起电阵列传感器件用于实时触觉感知成像研究

【背景介绍】

随着人工智能和物联网高速发展,能够感知各种外部物理刺激的触觉传感器被认为是下一代智能电子的重要设备之一。其在智能机器人、电子皮肤和人类健康监测等领域得到了广泛应用。目前电子产品中主要传感器件工作原理是基于电容式、电感式、压阻式、光电式等，然而，这些传感器件都需要外部电源提供电能。摩擦纳米发电机（TENG）作为新一代电子器件，具有设计灵活、成本低、输出性能稳定等优点。利用摩擦纳米发电机的开路电压和短路电流，能够实现静态过程和动态过程的检测，可广泛用于人体可穿戴和自驱动的传感器。目前已报道的触觉传感器电极图案存在制作成本高、制作过程复杂（光刻技术或掩膜板技术）、需要昂贵设备（如：磁控溅射）等缺陷。因此，迫切需要找到简单、低成本、高效和快速的技术和方法用于构建基于摩擦起电的阵列传感器件。激光直写（LDW）技术作为一种图案化制备工艺，可用于各种电子器件精确可编程和无掩膜的制造。由于激光光束的精确可编程和局部高温处理特性，LDW技术可以一步合成金属或无机非金属材料，无需掩模、真空沉积和打印且高效的构建图案化器件。利用LDW方法制备高导电性的多孔石墨烯（LIG），称为激光诱导石墨烯(LIG)。同时，器件的物理和电学性能能够通过激光功率、激光速度和激光环境精确调控，利用不同的图案，有利于不同器件的设计。利用激光直写技术构建摩擦电传感器是一项具有启发性和挑战性的研究工作。

【成果简介】

近日，河南大学王新教授课题组首次利用激光诱导石墨烯为工作电极，构建了柔性高分辨摩擦起电阵列传感器件（TSA），用于运动轨迹的追踪和人机交互。该器件具有低成本、高分辨率和形状多样化等特性。16×16个单元交叉型摩擦起电阵列传感器，分辨率为8 dpi，能够用于多点触摸、滑动和运动轨迹的监测。该器件在单电极工作模式下，展现出稳定的电学输出特性，经过6000次接触─分离循环后，电学性能输出稳定。该器件能够有效将外部物体接触刺激转换为电学信号，通过多通道数据采集系统实现了触觉传感的实时可视化成像。同时，成功构建了基于摩擦纳米发电机的可穿戴柔性触摸平板，利用微型控制器和无线蓝牙模块，实现了人机交互。该工作不仅为构建柔性高分辨摩擦起电阵列传感器开辟了新的技术和方法，同时拓展了自驱动实时触觉传感成像监测以及可穿戴的人机交互界面等领域的应用。相关研究成果以“Flexible High-Resolution Triboelectric Sensor Array Based on Patterned Laser Induced Graphene for Self-Powered Real-Time Tactile Sensing”为题发表在国际期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图一、摩擦起电阵列传感器件（TSA）的制作流程和工艺及LIG表征

（a）TSA制备流程示意图；

（b）16×16单元的TSA实物照片，分辨率为8 dpi；

（c）16×16单元的TSA结构示意图；

（d）LIG的SEM图像；

（e）LIG的SEM局部放大图像；

（f）激光功率为3 W时制备LIG的拉曼光谱。

图二、 TSA单元的工作机理及输出性能

（a）TSA中单个传感器单元的结构图；

（b）TSA中单个传感器单元工作原理图；

（c）上、下层LIG电极的输出开路电压；

（d）当LIG电极半径从5 mm增加到4 mm时，传感器单元的输出开路电压；

（e）图案化LIG电极在不同弯曲角度下的电阻；

（f）6000次以上接触—分离的耐久性测试。

图三、基于图案化LIG电极的TSA原理和TSA映射图像

（a）基于TSA的触觉传感信号记录系统原理图；

（b）多点触控模式及触控单个点输出电压示意图；

（c）手指滑动运动轨迹中单元的滑动模式及输出电压示意图；

（d）手指在16×16的TSA表面书写字母“H” “E” “N” “U” (河南大学的缩写)的示意图。

（e）手指在TSA表面书写字母“H” “E” “N” “U”所输出电压的二维映射图。

图四、基于图案化LIG电极人机交互界面系统的应用

（a）基于图案化LIG数字阵列触控面板无线控制电子器件系统示意图；

（b）基于图案化LIG数字阵列的无线人机界面系统原理图；

（c）触控面板传感单元的输出电压峰值；

（d）手指触摸“5”数字传感单元时摩擦发电器件的模拟信号输出；

（e）模拟信号经处理电路后的数字信号输出；

（f）由HMI系统无线控制LED的运动轨迹和开/关启动；

（g）LED点亮的放大照片。

【小结】

本工作成功构建了基于激光诱导石墨烯为工作电极的柔性高分辨摩擦起电触觉阵列传感器件。首先，基于激光直写技术，构建了分辨率为8 dpi的柔性16×16单元的摩擦起电触觉阵列传感器件，实现了多点触摸、滑动和跟踪手指运动轨迹的自驱动、实时和可视化。研究了基于摩擦起电触觉阵列传感器件的输出电信号与有效接触面积的关系、耐久性和同步性。另外，构建了一个智能无线手指控制人机界面系统，用于无线控制个人电子设备，该系统由基于LIG图案化的9位数字阵列（3×3）数字触摸面板、信号处理和无线传输电路组成。我们提出基于图形化激光诱导石墨烯为工作电极的柔性高分辨自驱动触觉阵列传感器件，将为实时触觉传感成像、人机界面、安全识别和许多其他领域带来巨大潜力。

文献链接：Flexible High‐Resolution Triboelectric Sensor Array Based on Patterned Laser‐Induced Graphene for Self‐Powered Real‐Time Tactile Sensing. Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfm.202100709.

通讯作者简介

王新，博士，河南大学，教授，主要从事纳米能源（纳米发电）与柔性物理器件等领域的研究。现已主持国家自然科学基金项目3项，参与了包括国家自然科学基金委重点项目、863计划、中科院重大研究计划和先导专项等10余项。近年来共发表SCI收录论文30余篇，包括有ACS Nano, J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等国际知名杂志, 被引用次数超过2000余次，单篇最高引用次数超过200次；授权发明专利4项；荣获中国科学院院长优秀奖、教育部自然科学二等奖、中国分析测试协会科学技术奖一等奖和中国科学院青年创新促进会会员，河南省物理学会理事，曾在美国佐治亚理工学院从事访问研究工作，目前被聘为河南大学黄河学者特聘教授。

代表性论文：

1. Wang, L., Liu, W., Yan, Z., Wang, F., Wang, X.* Stretchable and Shape‐Adaptable Triboelectric Nanogenerator Based on Biocompatible Liquid Electrolyte for Biomechanical Energy Harvesting and Wearable Human-Machine Interaction. Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2007221.

2.Liu, W.; Wang, X.;* Song, Y.; Cao, R.; Wang, L.; Yan, Z.; Shan, G.* Self-Powered Forest Fire Alarm System Based on Impedance Matching Effect between Triboelectric Nanogenerator and Thermosensitive Sensor. Nano Energy, 2020, 73, 104843.

3.Wang, X.; Wen, Z.; Guo, H.; Wu, C.; He, X. Lin, L.; Cao, X.; and Wang, Z.L.* Fully Packaged Blue Energy Harvester by Hybridizing a Rolling Triboelectric Nanogenerator and an Electromagnetic Generator. ACS Nano, 2016, 11369-11376.

4.Wu, C.; † Wang, X.; † Lin, L.; Guo, H.; Wang, Z.L.* Paper-Based Triboelectric Nanogenerators Made of Stretchable Interlocking Kirigami Patterns. ACS Nano, 2016, 10, 4652-4659. (†Equally contributed).

5.Wang, X.; Na, N.; Zhang, S.; Wu, Y.; Zhang, X.* Rapid Screening of Gold Catalysts by Chemiluminescence-based Array Imaging. J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 6062-6063.

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