據麥姆斯咨詢報道，近日，日本大阪大學產業科學研究所（SANKEN）、大阪大學先進光子學與生物傳感開放創新實驗室（Advanced Photonics and Biosensing Open Innovation Laboratory, AIST-Osaka University）聯合奧利地的一家研究機構共同開發了一款超柔性有機12 × 12有源矩陣傳感器片，該傳感器片是一種貼附于皮膚幾乎無感的人工電子皮膚，其中的壓電傳感器和開關晶體管通過單片集成方式制作在僅1μm薄的聚合物襯底上。該傳感矩陣是第一個將高空間分辨率與多路復用和超柔性相結合的觸覺和生物信號監測矩陣。

圖1 超柔性鐵電有源矩陣傳感器片作為一種無感的多參數傳感電子皮膚

圖1a為具有單個像素層堆疊的超柔性有機有源矩陣（AM）傳感器片的設計示意圖，圖1b為處理后的超柔性有源矩陣傳感器片的照片（左）和單個像素的詳細視圖（右），圖1c為獨立超薄有源矩陣傳感器膜的照片（左）和其附著在人體皮膚上的照片（右），該傳感器片形成一種增強型或電子傳感器皮膚。

圖2 超柔性鐵電傳感器片的性能

如圖2a照片的插圖所示，電容器狀傳感器結構包括夾在兩個熱蒸發的鋁（Al）金屬層之間的旋涂半結晶鐵電共聚物聚（偏二氟乙烯:三氟乙烯）（P（VDF:TrFE）70:30）層。為了激活其鐵電性能，研究人員向鐵電層施加電場E，該電場必須大于其矯頑場Ec。該電極化步驟使晶疇對齊，并在整個樣品體積中誘導宏觀極化。

當鐵電疇中的偶極子改變取向時，極化電流在矯頑場Ec附近達到峰值。圖2d是直方圖，圖2e是傳感器陣列中144個像素殘余偏振的3D圖。為了研究超柔性壓電傳感器的傳感性能，研究人員進行了溫度和機械應力測試。為此，傳感器樣品負載的梯形階梯力，最大范圍在0.15N至10N之間。

該有源矩陣傳感器片由有機薄膜晶體管（OTFT）驅動，該晶體管與傳感器集成在單個襯底上，如圖1a所示。在傳感器矩陣概念中，處理單個像素的電子元件由一個有機薄膜晶體管構成，該有機薄膜晶體管切換由源到地（source-to-ground）路徑中的換能器像素生成的電流。由于壓電/熱電換能器在機械或熱激勵下自行產生電荷，因此不需要漏極電源電壓。

圖3 在1μm薄的聚對二甲苯薄膜上制造的12 × 12有源矩陣中的超柔性有機薄膜晶體管的典型電氣特性

為了實現良好的傳感器像素性能和矩陣運算，有機薄膜晶體管需滿足以下要求：首先，在關斷狀態下，晶體管的關斷電阻應該非常高，這樣傳感器電流就只流過傳感器的內阻，而不經過有機薄膜晶體管；其次，晶體管的導通電阻應該很低，使得產生的大多數傳感器電流流過晶體管通道，而不流過傳感器的內阻；第三，導通開關晶體管所需的工作電壓Vgs應該非常低，以使矩陣能夠應用于節能、便攜以及電池供電的無線設備。該有機薄膜晶體管都在低于3V的電壓下工作（意味著Vthr（閾值電壓）和Von（輸出噪聲電壓）都小于?3V），因此可以由商用薄膜電池供電（一種常見的鋰聚合物電池供電電壓約為3.7V）。此外，有機薄膜晶體管表現出優異的機械穩定性。

圖4 超柔性有源矩陣觸覺傳感器片

該超柔性有源矩陣傳感器片包含12行12列，像素大小為3.8 mm × 2.9 mm，總有源傳感面積為35 mm × 45 mm，并在1 μm薄的聚對二甲苯襯底上進行制作。使用無線數據采集模塊操作的有源矩陣片的等效電路如圖4a所示。

圖5 人體無感的電子健康貼片

為了證明該超柔性傳感器片在生物醫學應用領域的潛力，研究人員在受試者橈動脈上方貼附了一個鐵電傳感器陣列，以監測其脈搏波的傳播（見圖5）。左上角的插圖顯示了電子健康貼片的方案，通過該貼片，附著在皮膚上的超柔性鐵電傳感器陣列感知受試者脈搏波及其傳播信號。從這些生物信號中可提取人體心血管參數（心率、心率變異性、脈搏波速度、血壓），從而確定人體心血管是否健康。鐵電傳感器監測橈動脈血流的潛力通過從兩個貼附到手腕上的鐵電傳感器陣列中隨機選擇的傳感器來證明。傳感器像素S4和S2的脈搏波信號（圖5右下插圖）清楚地示出了脈搏波信號的傳播。

綜上所述，在這項研究工作中，研究人員展示了一種在聚合物襯底上制造的超柔性有源矩陣傳感器片。通過基于DNTT或C10-DNTT有機半導體的有機薄膜晶體管實現了多刺激響應的有機鐵電傳感器像素的尋址。該傳感器片的總厚度僅為2.8 μm，像素為12 × 12，每個像素3.8 mm x 2.9 mm。144個有機薄膜晶體管和傳感器在整個矩陣上都具有顯著的性能均勻性和高偏置應力穩定性功能。

研究人員還成功地展示了該超柔性有源矩陣傳感器片的實時操作，該傳感器片具有8 × 3像素的子集，用于檢測不同的觸摸模式（指尖敲擊和滑動），沒有任何串擾，空間分辨率為幾毫米。該有源矩陣傳感器片具有足夠高的靈敏度和操作速度，可以監測到低生物信號，具有良好的時空分辨率。

審核編輯：劉清