Piezoelektriske taxel-arrays konverterer bevægelse til elektroniske signaler til taktil billeddannelse

Ved at bruge bundter af lodrette zinkoxidnanotråde, forskere har fremstillet arrays af piezotroniske transistorer, der er i stand til at konvertere mekanisk bevægelse direkte til elektroniske styresignaler. Arrays kunne hjælpe med at give robotter en mere adaptiv følesans, give bedre sikkerhed i håndskrevne signaturer og tilbyde nye måder for mennesker at interagere med elektroniske enheder.

Arrays omfatter mere end 8, 000 fungerende piezotroniske transistorer, som hver selvstændigt kan producere et elektronisk styresignal, når de udsættes for mekanisk belastning. Disse berøringsfølsomme transistorer – kaldet "taxels" – kunne give betydelige forbedringer i opløsning, følsomhed og aktive/adaptive operationer sammenlignet med eksisterende teknikker til taktil sansning. Deres følsomhed er sammenlignelig med en menneskelig fingerspids.

De vertikalt justerede taxels opererer med to-terminal transistorer. I stedet for en tredje gateterminal, der bruges af konventionelle transistorer til at styre strømmen af ​​strøm, der passerer gennem dem, taxels styrer strømmen med en teknik kaldet "strain-gating". Strain-gating baseret på den piezotroniske effekt bruger de elektriske ladninger, der genereres ved Schottky-kontaktgrænsefladen af ​​den piezoelektriske effekt, når nanotrådene sættes under belastning ved påføring af mekanisk kraft.

Forskningen vil blive rapporteret den 25. april i tidsskriftet Videnskab online, ved Science Express internet side, og vil blive offentliggjort i en senere version af det trykte tidsskrift Videnskab .

"Enhver mekanisk bevægelse, såsom bevægelse af arme eller fingrene på en robot, kunne oversættes til styresignaler, " forklarede Zhong Lin Wang, en Regents' professor og Hightower Chair i School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Dette kan gøre kunstig hud smartere og mere som den menneskelige hud. Det ville give huden mulighed for at føle aktivitet på overfladen."

At efterligne følesansen elektronisk har været udfordrende, og gøres nu ved at måle ændringer i modstanden foranlediget af mekanisk berøring. Enhederne udviklet af Georgia Tech-forskerne er afhængige af et andet fysisk fænomen - små polarisationsladninger dannet, når piezoelektriske materialer såsom zinkoxid flyttes eller anbringes under belastning. I de piezotroniske transistorer, de piezoelektriske ladninger styrer strømmen gennem ledningerne ligesom gatespændinger gør det i konventionelle tre-terminal transistorer.

Teknikken virker kun i materialer, der har både piezoelektriske og halvledende egenskaber. Disse egenskaber ses i nanotråde og tynde film skabt af wurtzit- og zinkblandingsfamilier af materialer, som omfatter zinkoxid, galliumnitrid og cadmiumsulfid.

I deres laboratorium, Wang og hans medforfattere – postdoc Wenzhuo Wu og kandidatforsker Xiaonan Wen – fremstillede arrays af 92 gange 92 transistorer. Forskerne brugte en kemisk vækstteknik ved cirka 85 til 90 grader Celsius, hvilket gjorde det muligt for dem at fremstille arrays af strain-gatede vertikale piezotroniske transistorer på substrater, der er egnede til mikroelektronikapplikationer. Transistorerne er opbygget af bundter på ca. 500 individuelle nanotråde, hver nanotråd mellem 500 og 600 nanometer i diameter.

I array-enhederne, de aktive strain-gatede vertikale piezotroniske transistorer er klemt ind mellem top- og bundelektroder lavet af indiumtinoxid justeret i ortogonale tværstangskonfigurationer. Et tyndt lag guld afsættes mellem de øverste og nederste overflader af zinkoxid -nanotråde og de øverste og nederste elektroder, danne Schottky-kontakter. Et tyndt lag af polymeren Parylene belægges derefter på enheden som en fugt- og korrosionsbarriere.

Array-tætheden er 234 pixels pr. tomme, opløsningen er bedre end 100 mikron, og sensorerne er i stand til at detektere trykændringer så lave som 10 kilopascal - opløsning, der kan sammenlignes med den menneskelige huds, sagde Wang. Georgia Tech -forskerne fremstillede flere hundrede af arraysne under et forskningsprojekt, der varede næsten tre år.

Arrays er gennemsigtige, hvilket kunne gøre det muligt at bruge dem på touch-pads eller andre enheder til fingeraftryk. De er også fleksible og foldbare, udvide rækken af ​​potentielle anvendelser.

Blandt de potentielle anvendelser:

• Multidimensionel signaturoptagelse, hvori ikke kun grafikken af ​​signaturen ville være inkluderet, men også det pres, der udøves på hvert sted under oprettelsen af ​​signaturen, og den hastighed, hvormed signaturen oprettes.
• Formadaptiv sansning, hvor en ændring i enhedens form måles. Dette ville være nyttigt i applikationer såsom kunstig/protesehud, smarte biomedicinske behandlinger og intelligent robotik, hvor arraysne kunne mærke, hvad der var i kontakt med dem.
• Aktiv taktil sansning, hvor de fysiologiske operationer af mekanoreceptorer af biologiske enheder såsom hårsækkene eller hårene i cochlea efterlignes.

Fordi arrays ville blive brugt i virkelige applikationer, forskerne vurderede deres holdbarhed. Apparaterne fungerede stadig efter 24 timer nedsænket i både saltvand og destilleret vand.

Fremtidigt arbejde vil omfatte produktion af taxel-arrays fra enkelte nanotråde i stedet for bundter, og integrering af arrays på CMOS silicium -enheder. Brug af enkelte ledninger kunne forbedre arrayernes følsomhed med mindst tre størrelsesordener, sagde Wang.

"Dette er en fundamentalt ny teknologi, der giver os mulighed for at styre elektroniske enheder direkte ved hjælp af mekanisk omrøring, " tilføjede Wang. "Dette kan bruges på en bred vifte af områder, herunder robotteknologi, MEMS, menneske-computer-grænseflader og andre områder, der involverer mekanisk deformation."