用于仿生触觉感知平台的压力敏感柔性纹理电容传感器

《Applied Materials Today》：Pressure sensitive flexible textured capacitive sensor for bionic tactile perceptual platform

柔性触觉感知平台通过集成CMC-Na基电容式传感器与可弯曲突触晶体管，实现类脑突触功能与痛觉感受器模拟，支持摩尔斯电码解码和超低功耗（0.6 fJ/次突触响应）。

　　

Jia Kang Di|Wan Lin Zhang|Si Yuan Zhou|Bei Chen Gong|Wei Sheng Wang|Li Qiang Zhu

浙江宁波大学物理科学与技术学院，宁波315211，中国

摘要

受大脑启发的神经形态设备因其基于硬件的神经形态平台而受到广泛关注。此外，仿生感知系统对于交互式神经形态平台和人机界面也非常有吸引力，能够有效提升感官学习效率。本文介绍了一种采用羧甲基纤维素钠（CMC）基电解质的柔性纹理电容传感器。该传感器在3 kPa以下和以上压力下的灵敏度分别约为2.06 kPa^-1和8.08 kPa^-1，并且其电容值随弯曲半径的变化而变化。同时，还制备了一种基于CMC的柔性突触晶体管，单次突触响应的功耗可低至约0.6 fJ。通过将这种纹理电容传感器与柔性突触晶体管集成，构建了一个仿生触觉感知平台。在压力刺激下，该平台能够表现出典型的突触功能，并实现了摩尔斯电码解码。有趣的是，该平台还能模拟人类痛觉感受器，展现出阈值、松弛和敏感化特性。研究结果表明，所提出的触觉感知平台在信息交互和人机界面方面具有巨大潜力。

引言

随着人工智能的发展，数据量呈指数级增长[1]。然而，传统的冯·诺依曼架构由于存储单元和处理单元的物理分离，导致能耗较高[2,3]。相比之下，受大脑启发的神经形态系统通过整合存储和计算功能，实现了高效的并行处理能力[4]。包括双端忆阻器和三端晶体管在内的神经形态设备，使得在硬件平台上实现突触功能和神经形态计算成为可能[5],[6],[7],[8]。此外，大脑神经系统具备强大的多模态感官信号处理能力，这也促进了传感-存储-计算平台的提出[9,10]。在这样的平台上，神经形态设备中的感官信号采集与处理为提升感官学习效率提供了有效解决方案[11,12]。 触觉传感器在人机界面中起着关键作用，用于收集外部信息[13,14]。作为柔性电子领域的研究热点，柔性压力传感器已发展出多种类型，如电容式[15,16]、压电式[17,18]、电阻式[19,20]、摩擦电式[11,21]、离子梯度自供电式[22,23]以及电化学式[24]。例如，郑等人制备了一种柔性电阻压力传感器，检测范围为1-150 kPa[19]；张等人开发了一种高功率电化学压力传感器，响应范围为0.6-100 kPa[24]；黄等人通过印刷工艺将应变传感器集成到手套中，实现了快速响应/恢复速度（71.43/178.49 ms）[25]。然而，基于压力传感器的神经形态设备仍面临材料一致性、异构集成兼容性和大规模生产经济性等方面的挑战。材料性能的退化也会影响长期可靠性。为调节柔性压力传感器的响应和恢复特性，可采用多种方法，如优化敏感层的材料组成、细化微纳结构或调整脉冲条件。为了实现存储功能，压力传感器可以与神经形态设备集成，使压力触发的响应以电荷或电阻状态的形式存储，并通过电脉冲或光脉冲进行擦除。近年来，由于高灵敏度、低功耗和可扩展性等优点，电容传感器被广泛应用于便携式电子设备和柔性触觉感知系统[26],[27],[28],[29]。 此外，生物材料在环保型便携式电子产品中也展现出巨大潜力[30,31]，并在离子电子设备中的神经形态计算中也有应用前景[32,33]。羧甲基纤维素钠（CMC-Na）是一种通过向纤维素骨架引入羧甲基基团合成的水溶性纤维素衍生物[34,35]。作为一种常用的离子纤维素醚，它具有丰富的羧基和羟基，优异的溶解性和稳定性[36,37]，可用于食品、制药、化妆品和纺织等多个领域[38],[39],[40]。由于其丰富的羧基和羟基，CMC-Na具有很强的质子/电子耦合能力，因此在离子神经形态设备中具有广泛应用潜力。遗憾的是，关于CMC-Na在神经形态设备中的应用研究较少[41,42]。 本文提出了一种将柔性纹理电容传感器与柔性氧化铟锡（ITO）突触晶体管集成的柔性触觉神经形态平台，使用CMC-Na基电解质作为电介质，实现了基本的突触功能，并展示了摩尔斯电码解码能力。该平台还能模拟人类痛觉感受器的特性，包括阈值、松弛和敏感化现象，为仿生感知系统和人机界面提供了新的研究方向。

实验部分

实验步骤

图1(a)展示了具有类似砂纸表面微结构的传感器制作示意图。首先，将0.2克CMC-Na粉末溶解在9.8毫升去离子水中，45°C下搅拌2小时后得到2%质量的CMC-Na溶液。然后将该溶液涂覆在导电聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上，并在室温下干燥48小时。接着混合聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体和交联剂（Sylgard 184，Dow Corning公司）。

结果与讨论

本文提出了一种基于高灵敏度柔性纹理电容传感器的触觉感知平台。该传感器的纹理微结构模仿了砂纸的纹理。图1(b)-i显示了4000目砂纸的顶视图SEM图像；图1(b)-ii显示了剥离后的PDMS表面的顶视图SEM图像，其中可见砂纸的微结构；图1(b)-iii和1(b)-iv分别展示了Ag/IZO/PDMS膜在弯曲5000次前后的顶视图SEM图像。

结论

总之，本文通过将压力敏感的柔性纹理电容传感器与柔性突触晶体管集成，构建了一个仿生触觉感知平台。该传感器在3 kPa以下和以上压力下的灵敏度分别为约2.06 kPa^-1和8.08 kPa^-1，同时具有稳定的压力依赖性和弯曲依赖性特性。柔性突触晶体管表现出显著的质子门控效应和低功耗。

作者贡献声明

Jia Kang Di：撰写初稿、研究设计、概念构建、方法论制定。 Wan Lin Zhang：研究工作。 Si Yuan Zhou：研究工作。 Bei Chen Gong：研究工作。 Wei Sheng Wang：研究工作。 Li Qiang Zhu：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金申请、概念构建。