一個(gè)由納米線發(fā)光二級(jí)管制成的類似皮膚的傳感器陣列由美國(guó)研究人員制造出來，它可以直接將皮膚接觸轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)。新的裝置似乎是比人類皮膚更敏感。它是新一代觸屏智能機(jī)和機(jī)器人程序的福音，它能改善人機(jī)交互，生物成像和光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等等。

物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人不像人的其他四個(gè)感官–視覺，聽覺，嗅覺和味覺–在實(shí)驗(yàn)室中，觸覺依然很頑固地難以被模仿。一款優(yōu)秀的人工皮膚需要對(duì)至少50微米范圍的觸摸區(qū)域高度敏感并對(duì)所受壓力快速做出反應(yīng)。研究人員已經(jīng)成功地制造出此種傳感器陣列用來做電子皮膚，或“智能皮膚”。它們由納米線或微結(jié)構(gòu)的橡膠層組裝而成，這些納米線和橡膠層能響應(yīng)壓力，改變電容或電阻。但是，即使在最好的情況下，這些材料也只能以毫米級(jí)的分辨率來顯示受力的分布。

在喬治亞理工學(xué)院，一個(gè)由王中林(音譯)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在這個(gè)問題上已經(jīng)取得了很大進(jìn)步。他們通過開發(fā)第一個(gè)基于單管LED的受力/施力傳感器陣列來解決這一問題，這個(gè)陣列可以在小余3微米的范圍內(nèi)快速映射力的變化。這種新裝置的像素密度高達(dá)每英寸6350點(diǎn)(6350DPI)，這比之前同類傳感器的記錄好1000倍。一個(gè)像素就是一個(gè)LED燈管，燈管包含單根生長(zhǎng)在有p型雜質(zhì)的氮化鎵上的氧化鋅納米線。由于所謂的“壓力—矩陣光電”效應(yīng)，這種燈管對(duì)局部受壓力，施力和所受張力敏感。

壓電電位

壓電材料在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生極化電荷，同時(shí)組件晶體的對(duì)稱性變得扭曲。“壓力—光電”設(shè)備依靠這個(gè)原則，通過產(chǎn)生在單個(gè)納米結(jié)構(gòu)末端的極化電荷來控制電子傳輸和重組，納米結(jié)構(gòu)與P-N接口相連，光就產(chǎn)生在那里。王中林(音譯)解釋說，在這種新工藝?yán)铮艿綇埩Φ难趸\納米線在兩個(gè)端部產(chǎn)生壓電電荷，形成一個(gè)壓電電位。這種電位扭曲了納米線的帶隙結(jié)構(gòu)，使電子在P—N接口區(qū)域停留更長(zhǎng)時(shí)間，這就提高了LED的發(fā)光效率。

設(shè)備發(fā)出的光隨著受力的變化而變化。這種輸出信號(hào)是電致發(fā)光，可以很容易地和芯片上的光子技術(shù)集成，做到快速地傳遞，處理和記錄數(shù)據(jù)。王中林(音譯)說，傳統(tǒng)的使用橫桿電極進(jìn)行順序數(shù)據(jù)輸出的方式被替換掉，所有的納米管能夠平行地收到壓力圖像或映射信號(hào)。這意味著，相比于傳統(tǒng)的基于壓阻或電容效應(yīng)的設(shè)計(jì)，這種輸出信號(hào)可以被更快得檢測(cè)到(在90毫秒內(nèi))。

“這種方法可能是機(jī)械信號(hào)的數(shù)字成像技術(shù)的一個(gè)重大的進(jìn)步，通過光學(xué)手段潛在應(yīng)用于觸控板，個(gè)性化簽名，生物成像和光學(xué)MEMS”，王中林對(duì)物理世界網(wǎng)站說到。這樣的傳感器陣列也可以制作在柔性基板(如PDMS或碳纖維)。由于圖案化的氧化鋅納米線可以培植在任何采用低溫溶液生長(zhǎng)技術(shù)的平面上，這一技術(shù)有可能開辟出許多其他應(yīng)用領(lǐng)域。

團(tuán)隊(duì)使他們的設(shè)備使用低溫化學(xué)生長(zhǎng)技術(shù)在氮化鎵薄膜襯底上創(chuàng)建氧化鋅納米線圖案化陣列。然后研究人員用PMMA熱塑性塑料填充納米線之間的空隙，再用氧等離子體蝕刻掉多余的PMMA熱塑塑料，暴露出納米管的頂端。最后的步驟包括形成歐姆接觸，底部的氮化鎵薄膜使用鎳–金電極，陣列頂部沉積透明的銦錫氧化物薄膜作為公共電極。

更靈敏的機(jī)器人?更好的假肢?

該傳感器陣列可以檢測(cè)到細(xì)微至10kPa的壓力變化，類似于一次輕輕的手指觸碰。除了可能提供給機(jī)器人更敏感的觸覺，使他們能夠調(diào)整掌握的東西的力量以外，新的設(shè)備也可以被用來改善人體假肢。他們甚至可能被用于所謂的電子簽名映射。現(xiàn)在，傳感器會(huì)記錄下一個(gè)人簽署自己名字時(shí)所受到的壓力或施加的力，以及與他們寫的速度，使簽名更安全。

團(tuán)隊(duì)表示，他們現(xiàn)在將考慮如何進(jìn)一步提高陣列的空間分辨率。這可能是通過降低納米線的直徑，使單位陣列內(nèi)容下更多的納米管和使用更高溫度制造流程來完成。