Описание: Инновационная разработка объединяет в одном компактном транзисторе способность различать силу нажатия, реагировать на приближение предметов и адаптировать чувствительность под конкретные задачи.
Современная электронная кожа для робототехники должна выполнять множество функций: регистрировать прикосновения, определять силу давления, реагировать на приближение объектов до их контакта с поверхностью и изменять чувствительность в зависимости от поставленной задачи. Учёные разработали компактный транзистор, который объединяет все эти возможности и оптимален для создания плотных матриц датчиков.
Развитие гибких и носимых электронных устройств стимулирует интерес к подобным сенсорам. Трибоэлектрические наногенераторы (TENG) представляют собой устройства, способные преобразовывать механическую энергию в электрический сигнал. Когда два материала соприкасаются, а затем разделяются, между их поверхностями происходит перераспределение электрических зарядов. Возникающее при этом напряжение позволяет датчику регистрировать касания, движения и давление без потребления электроэнергии от внешнего источника.
Хотя трибоэлектрические датчики давно рассматриваются как перспективная основа для электронной кожи, традиционные конструкции сложно масштабировать. Чувствительность таких устройств обычно определена их конструкцией и плохо поддаётся электрической регулировке. Кроме того, отдельный элемент датчика занимает значительную площадь, что затрудняет создание больших поверхностей из множества плотно расположенных чувствительных точек.
Инженеры предложили использовать вертикально интегрированный триботронный транзистор с двумя затворами. В этой конструкции чувствительный слой, изолирующий материал и собственно транзистор расположены в вертикальном порядке, что позволяет значительно сократить требуемую площадь для каждого пиксельного элемента. Второй затвор обеспечивает электрическое управление чувствительностью датчика.
Верхний слой датчика состоит из полидиметилсилоксана (PDMS) — силиконового материала, хорошо подходящего для гибких электронных конструкций. Под ним находится затворный диэлектрик, а ещё ниже расположен тонкопленочный транзистор из оксида индия, олова и цинка (ITZO).
Два затвора выполняют различные функции. Нижний затвор устанавливает базовый ток через ITZO-транзистор. Верхний затвор образуется самим чувствительным слоем PDMS и реагирует на электрические заряды, возникающие при механическом воздействии.
При тестировании поверхность PDMS предварительно заряжали, а затем прижимали к ней пластину из нержавеющей стали. При соприкосновении происходил трибоэлектрический эффект, вызывающий перераспределение электрического заряда между поверхностями.
После удаления пластины накопленный на PDMS заряд создавал электрический потенциал, который воздействовал на верхний затвор как входной сигнал и снижал электрический ток через ITZO-канал.
При повторном приближении заряженной пластины к поверхности PDMS электрический потенциал постепенно уменьшался, а ток через транзистор восстанавливался. Величина изменения электрического сигнала зависела от расстояния до объекта. Это позволяет датчику не только фиксировать фактический контакт, но и определять приближение предмета к поверхности.
Нижний затвор предоставляет возможность независимо управлять чувствительностью устройства. Изменение напряжения на нём смещает базовый ток транзистора и изменяет величину реакции на сигнал от верхнего слоя. В ходе испытаний увеличение напряжения на нижнем затворе повышало чувствительность сенсора. Это означает, что один и тот же элемент датчика можно настраивать электрически, без изменения его материального состава или геометрических параметров.
Датчик также может различать интенсивность нажатия. При более сильном давлении мягкий слой PDMS контактирует с объектом на большей площади, что приводит к накоплению большего количества трибоэлектрического заряда на границе материалов. Это усиливает изменение тока через транзистор, позволяя электронике получить информацию не только о факте касания, но и об интенсивности контакта.
Во время экспериментов датчик реагировал на каждый цикл контакта и разделения за 127 миллисекунд, а возвращался в исходное состояние за 212 миллисекунд. После тысячи циклов испытаний заметного деградации характеристик не наблюдалось.
Работоспособность нескольких датчиков одновременно проверили на матрице из 100 транзисторов, расположенных в сетку 10×10. После зарядки поверхности пластиной из нержавеющей стали исследователи прикасались пальцем к различным участкам. Отдельные пиксели матрицы регистрировали контакт независимо друг от друга, позволяя определить точную область прикосновения.
Отдельное исследование проверило возможность бесконтактного восприятия. Металлический зонд подносили к поверхности на различные расстояния. Матрица успешно регистрировала приближение объекта на расстояниях до 500 микрометров (половины миллиметра), при этом физического контакта не требовалось.
Вертикальная архитектура в первую очередь предназначена для создания плотных сенсорных поверхностей. Когда чувствительный слой и управляющая электроника располагаются в вертикальной последовательности, каждый пиксель занимает минимальную площадь. Это позволяет разместить большее количество датчиков на одной поверхности и получить более детальную карту касаний и давления.
Разработчики предполагают использовать эту архитектуру в качестве основы для электронной кожи роботов, протезов и портативных электронных устройств. Единый массив датчиков способен фиксировать приближающиеся объекты, определять момент контакта, различать интенсивность давления, при этом чувствительность отдельных элементов можно регулировать электрическим напряжением.
Текущий прототип матрицы содержит 100 транзисторов, но сама конструкция рассчитана на дальнейшее увеличение числа чувствительных элементов. Главная инженерная задача на данный момент заключается в масштабировании подобных матриц до размеров больших поверхностей без потери стабильности и сохранения возможности независимо настраивать отдельные участки.
