Advanced Electronic Materials: 扩展栅型有机晶体管接近传感器

近年来人机交互在工业生产及日常生活中均展现巨大影响,典型的例子是开发所谓的“人机友好机器人”。机器人与人类在同一空间内工作,且实现人机交互功能。接触传感和接近传感是机器人设计中常见传感器件。在机器人对目标物进行接触操作前,接近传感器可预先探测目标物的位置及形状等信息;探测周围环境,帮助机器人绕过障碍,避免机器人与工作人员或其他不期望的物体发生碰撞,从而保证设备及人员安全。

研究者先后报道了基于光成像、超声、摩电、驻极体及电容等机制的各类接近传感器。在接近传感器设计时,有效传感距离是一个必要考虑的参数。通常大的传感距离意味着机器人具有更长的反应时间从而避免任何不期望的碰撞甚至是损伤。对于电容、摩电以及超声型接近传感器,已报道的最大接近传感距离可达几十厘米,然而对于驻极体型的接近传感器,已报道的最大传感距离仅有3厘米。近年来报道了基于物理气相沉积的有机半导体晶体片开发的柔性接近传感器,其有效传感距离仅有几个毫米。

复旦大学材料科学系朱国栋教授实验室开发了一类可溶液法制备的有机晶体管接近传感器件,相关结果发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201900586)上。有机半导体层沉积在表面具有平行纳米槽结构的PTFE模板上,纳米槽结构诱导半导体层各向异性结晶。研究表明,晶体管源漏长度方向平行于纳米槽方向(也即平行配置)时,晶体管展现最大的载流子迁移率。在此基础上,导电丝分别与晶体管栅极及传感端连接,实现了扩展栅型接近传感器。实验观测到随着正/负带电物体的靠近/远离,晶体管源漏电流随之单调改变,实现接近传感功能;平行配置下晶体管具有最佳的传感特性,其有效传感距离可达20cm,位移灵敏度达2.5nA/mm@13mm。经由公式拟合,有望实现距离、表面电位和电流响应间的量化表征。