Электронная кожа для роботов должна уметь гораздо больше, чем просто замечать прикосновение. Полезный сенсор должен различать силу нажатия, реагировать на приближение предмета ещё до контакта и менять чувствительность под конкретную задачу. Разработчики предложили компактный транзистор, который объединяет все три функции и подходит для сборки плотных сенсорных матриц.
Интерес к подобным датчикам растёт вместе с развитием гибкой и носимой электроники. Обычному сенсору нужен источник питания, а трибоэлектрические наногенераторы, или TENG, могут получать электрический сигнал непосредственно из механического воздействия. При контакте и последующем разделении двух материалов заряды перераспределяются между поверхностями. Возникающее напряжение позволяет регистрировать прикосновение, движение или давление без отдельного источника сигнала для чувствительного слоя.
Трибоэлектрические сенсоры давно рассматривают как основу для электронной кожи и робототехники, но традиционные конструкции неудобно масштабировать. Чувствительность многих устройств жёстко задаётся конструкцией и плохо поддаётся электрической регулировке. Кроме того, отдельный чувствительный элемент занимает сравнительно много места, поэтому собрать большую поверхность из множества плотно расположенных пикселей непросто.
Новая схема использует вертикально интегрированный триботронный транзистор с двумя затворами. Чувствительный слой, изолятор и сам транзистор расположены друг над другом, поэтому отдельному пикселю требуется меньше площади. Второй затвор одновременно позволяет менять чувствительность электрическим напряжением.
Верхнюю часть датчика образует слой полидиметилсилоксана, или PDMS. Полидиметилсилоксан относится к силиконам и хорошо подходит для гибких электронных конструкций. Под PDMS находится затворный диэлектрик, а ещё ниже расположен тонкопленочный транзистор из оксида индия, олова и цинка, ITZO.
Два затвора выполняют разные задачи. Нижний задаёт исходный ток через ITZO-транзистор. Верхний формируется самим чувствительным слоем PDMS и реагирует на электрический заряд, возникающий после механического контакта.
Перед измерением поверхность PDMS заряжают. В эксперименте к полимеру прижимали пластину из нержавеющей стали. При соприкосновении материалов часть электрического заряда перераспределялась между поверхностями за счёт трибоэлектрического эффекта.
После удаления пластины накопленный на PDMS заряд создавал электрический потенциал. Для транзистора такое напряжение действовало как сигнал на верхнем затворе и уменьшало ток через канал ITZO.
Когда заряженная пластина или другой предмет снова приближались к PDMS, электрический потенциал постепенно снижался. Ток через транзистор одновременно восстанавливался. Чем ближе находился объект, тем сильнее менялся электрический сигнал. Поэтому датчик способен определить не только сам контакт, но и приближение предмета к поверхности.
Нижний затвор позволяет отдельно управлять чувствительностью. Изменение напряжения на нём сдвигает исходный ток транзистора и меняет величину отклика на сигнал от верхнего слоя. Во время испытаний повышение напряжения нижнего затвора увеличивало чувствительность сенсора. Один и тот же пиксель поэтому можно настраивать электрически, не меняя материалы или геометрию устройства.
Датчик также различает силу нажатия. При большем давлении мягкий слой PDMS соприкасается с объектом на большей площади. На границе материалов накапливается больше трибоэлектрического заряда, поэтому изменение тока через транзистор усиливается. Электроника получает сигнал, связанный уже не только с фактом касания, но и с интенсивностью контакта.
Во время каждого цикла контакта и разделения сенсор реагировал за 127 миллисекунд, а возвращался к исходному состоянию за 212 миллисекунд. После 1000 циклов заметного ухудшения характеристик не обнаружили.
Работу нескольких датчиков одновременно проверили на матрице из 100 транзисторов, расположенных сеткой 10 на 10. Сначала поверхность заряжали пластиной из нержавеющей стали, затем к разным участкам прикасались пальцем. Отдельные пиксели регистрировали контакт независимо друг от друга, поэтому матрица определяла конкретную область прикосновения.
Отдельный эксперимент проверял бесконтактное восприятие. К поверхности подносили зонд из нержавеющей стали. Матрица фиксировала его приближение на расстоянии до 500 микрометров, то есть до половины миллиметра. Физического соприкосновения для регистрации сигнала не требовалось.
Вертикальная компоновка нужна прежде всего для плотных сенсорных поверхностей. Если чувствительный слой и управляющая электроника располагаются друг над другом, каждый пиксель занимает меньше места. На одной площади можно разместить больше датчиков и получить более подробную карту прикосновений и давления.
Разработчики рассматривают архитектуру как основу для электронной кожи роботов, протезов и носимой электроники. Один массив способен замечать приближающийся объект, фиксировать момент контакта и различать давление, а чувствительность отдельных пикселей можно менять напряжением.
Экспериментальная матрица пока содержит 100 транзисторов, но сама вертикальная схема рассчитана на дальнейшее увеличение числа чувствительных элементов. Главная инженерная задача теперь состоит в масштабировании подобных массивов до крупных поверхностей без потери стабильности и возможности независимо настраивать отдельные участки.