Small:模板法在柔性触觉传感器活性层微纳加工中的应用

人体皮肤作为人体与外界环境之间最重要的物理界面,具有独特的多重触觉感知系统。研究人员发现,该多重触觉感知能力源于一系列感觉神经元的协同作用。值得注意的是,当受到刺激时,感觉神经元的细胞膜会发生物理变形,从而触发离子通过生物离子通道和细胞膜,进而产生电信号。因此,受上述人体皮肤信号传感机制的启发,研究人员开发了一种类似甚至超越人体皮肤传感能力的柔性电子器件——触觉传感器。它通过将压力、温度、湿度等外界刺激转化为可被记录的电信号来模拟人体皮肤的感知特性,又称为电子皮肤。

模板法是柔性触觉传感器活性层微纳加工的一种重要方法。模板法利用物理/化学过程在活性层上引入微纳结构,提高了器件的灵敏度、响应/恢复时间和检测极限等传感性能。然而,由于模板法的加工工艺和适用条件尚未形成一个完善的体系,基于模板法的柔性触觉传感器的开发和商业化仍处于相对缓慢的阶段。因此,需要对基于模板法的柔性触觉传感器进行全面系统的综述,以促进该领域的进一步发展。

济南大学信息科学与工程学院李阳教授课题组、前沿交叉科学研究院刘宏教授课题组和中国科学院半导体所超晶格国家重点实验室沈国震研究员课题组共同总结综述了基于模板法的微纳加工技术在柔性传感器件中的进展。该综述文章首先根据不同的传感机制对触觉传感器进行分类,包括电阻式、电容式、超级电容离子式和摩擦电式等四类。在此基础上,集中研究了在引入微纳结构后,上述四类触觉传感器性能上的改善。随后,着重强调了形貌可控模板法(光刻模板法、阳极氧化铝模板法、激光打标模板法、呼吸图模板法、微球阵列模板法和预拉伸模板法)和形貌不可控模板法(自然生物材料模板法、人工模板法、3D多孔模板法)在微纳结构柔性触觉传感器加工中的优势。同时,还阐述了基于模板法的触觉传感器在实际应用中的发展,包括大型触觉传感阵列、智能机器人抓手、人工触觉记忆等。最后,作者指出随着微纳加工技术的引入,低密度、厘米/毫米尺度的触觉传感阵列逐步发展成为高密度、高集成度、低串扰、微纳尺度的传感阵列,有望应用于微纳机器人、可植入式器件、和人工电子皮肤。此外,本综述所介绍的各种模板法可以扩展到除触觉传感器外的其他研究领域,如光电探测器、超表面、结构滤光片、生物细胞培养、微流控、超级电容器和太阳能电池等。

论文信息:

Micro-Nano Processing of Active Layers in Flexible Tactile Sensors via Template Methods: A Review

Hongsen Niu, Huiyun Zhang, Wenjing Yue, Song Gao, Hao Kan, Chunwei Zhang, Congcong Zhang, Jinbo Pang, Zheng Lou, Lili Wang, Yang Li*, Hong Liu*, Guozhen Shen*

Small

DOI: 10.1002/smll.202100804

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202100804