王中林院士、翟俊宜研究员、潘曹峰研究员团队：基于微笼结构的超低串扰触觉传感阵列

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大规模高密度的柔性传感阵列对于触觉探测而言非常重要，但此类器件中通常存在较大串扰，这将大大削弱触觉探测的精度。漏电、击穿或者外界电磁干扰等串扰通常可借助电子元件以及后端信号处理来避免，但柔性器件中由于形变而产生的机械串扰则无法使用上述方法来消除。这种机械串扰有时可用来增强局部刺激，但其也需要大量的数据分析才能实现精准的定位功能，因此，设计新型的器件结构以减少传感器像素点之间的机械串扰是非常有必要的。
　　中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、翟俊宜研究员、潘曹峰研究员团队制备了一种高精度光网状应变限制薄膜（prslPDMS），其可用于制备超低串扰的可拉伸触觉传感阵列。借助于prslPDMS层可构筑微笼结构的传感器，微笼结构内部可用于触觉传感，边界可隔绝不必要的力学串扰以实现精准的触觉感知，具有局部应变限制效应。相较于传统的柔性电子器件而言，可使像素形变溢出减少90.3%。prslPDMS层夹在Ag NFs电极以及微结构石墨烯电极之间，不仅确保了堆叠结构不会发生分离，同时也能为器件在弯曲或者拉伸状态下提供传感间隙。此外，可通过设计不同的prslPDMS层厚度或者电极微结构来调整传感器的灵敏度以及压力探测范围。研究表明传感器具有良好的压力分辨率，即使在弯曲状态下也能分辨1 g的重量，并可检测人体不同状态下（饮酒、运动和休息）的脉搏或分析不同的抓握姿势。相应的传感器这列可实现清晰的压力成像分布，串扰隔离度可达到33.41 dB，并可贴附与手上实现了良好的人机交互功能。进一步的仿真分析也表明，基于该微笼结构的器件在像素分辨率超过4000 ppi的情况下仍具有较高的串扰隔离度（22.43 dB），表明其在可穿戴电子、软体机器人和人机交互方面具有广泛的应用前景。该工作以“Localizing Strain via Micro-Cage Structure for Stretchable Pressure Sensor Arrays with Ultralow Spatial Crosstalk”为题发表于《Nature Communication》。

　　图1、基于prslPDMS层的微笼结构超低串扰传感器的设计思路。（a）人体皮肤中用于触觉感知的多种机械感受器分布示意图。（b）苯甲酮在紫外光照射下抑制PDMS交联以制备prslPDMS层的原理。（c）在外部压力下由prslPDMS形成的微笼结构形变的模型分析，其中有4个关键参数，分别是像素长度(lp)、间隔长度(ls)和厚度(ts)以及外部位移(D)。（d）PDMS & prslPDMS模型和PET模型在外部压力下的二维形变模拟分析，由于微笼结构的局部应变限制效应，使得前者沿x轴的应变远小于后者。（e）定量分析上述两种模型沿x轴的位移变化，可发现使用prslPDMS层的模型中邻近像素位移与PET相比减少了90.3%。（f）串扰隔离度与间隔长度和像素长度比值（ls/lp）之间的关系，其值大于1：2时，可达到较好的隔离效果。
　　总之，本工作将苯甲酮掺杂到PDMS中可制备网状的局部应变限制薄膜（prslPDMS），该薄膜可黏附上下电极以形成微笼结构。其可大大减少传感器中的形变溢出，克服了柔性电子器件中力学串扰对精准测量的干扰。对微笼结构内进行不同的设计可实现对传感器灵敏度以及检测范围的调控，使得传感器具有足够的压力分辨率以检测微小重量或人体脉搏。相应的柔性触觉传感器阵列亦可有效分辨密集的多点刺激，实现高空间分辨率的压力分布成像。这种局部应变限制薄膜以及微笼结构设计可为精准的触觉探测提供新的研究思路，并期望在未来应用于多功能的柔性电子器件中。
          文章来源：纳米能源所
       王中林﹐1982毕业于西北电讯工程学院(现名西安电子科技大学)﹐并于同一年考取中美联合招收的物理研究生(CUSPEA)。1987 年获亚利桑那州立大学物理学博士, 从师于国际电子显微学权威 John Cowley 教授。王博士现是佐治亚理工学院终身校董事讲席教授,Hightower终身讲席教授，工学院杰出讲席教授和纳米结构表征中心主任。他是中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家。
      翟俊宜，男，于2001年7月和2004年 7月分获清华大学化学系学士学位和材料科学与工程系硕士学位。其后赴美留学，并于2009年2月获弗吉尼亚理工（Virginia Tech）材料科学与工程系博士学位。2009年4月翟俊宜博士获Director’s Postdoctoral Fellowship在洛斯阿拉莫斯国家实验室纳米中心做博士后研究。主要从事压电半导体材料的制备、外延功能氧化物生长和表征、新型多功能电子学和光电子器件设计与应用等方面的研究。至今已在Nature Nanotechnology、Advanced Materials、ACS Nano、 Applied Physics Letter等SCI杂志上发表了58篇材料方向的研究论文，引次数超过2000次，论文被引用的H因子(h-index)是29。已获得3个专利，参与重要国际会议报告共5次。
       潘曹峰，男，中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员，博士生导师,国家自然基金“优秀青年科学基金”获得者。2005、2010年分别在清华大学材料科学与工程系获学士、博士学位，曾获得清华大学优秀博士学位论文奖，北京市优秀博士学位论文奖以及全国优秀博士学位论文奖。其后于美国佐治亚理工学院材料科学与工程学院进行博士后研究。主要从事低维压电半导体力光电耦合效应及相关微纳光电功能器件研究。以构建高性能微纳光电功能器件为目标，以低维压电半导体为载体，从材料的设计和可控制备出发，探索力光电耦合效应对压电半导体光电器件性能的调制机制，研究了从单根纳米线原型器件到由大规模纳米线阵列构成的集成器件，在新型大规模柔性阵列式压电光电子学器件的设计和集成、超高分辨率应力传感及成像、高性能传感器、生物交互和控制等领域中取得了重要进展。在Nat. Photon.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Angew. Chem. Int. Edit.、Nano Lett.、ACS Nano等期刊上发表SCI论文100多篇，引用2300多次。