Revolution In Tactile Sensing

Verwendung Bündel von vertikalen Zinkoxid -Nanodrähten , Forscher haben Arrays von PIEZOTRONIC Transistoren zur Umwandlung von mechanischer Bewegung direkt in elektronische Steuersignalehergestellt . Die Arrays können dazu beitragen, dass Roboter eine adaptive Tastsinn , bieten eine bessere Sicherheit in handschriftlichen Unterschriften und bieten neue Möglichkeiten für Menschen mit elektronischen Geräten zu interagieren.

Die Arrays sind mehr als 8.000 funktionierende PIEZOTRONIC -Transistoren , von denen jeder ein elektronisches Steuersignal unabhängig zu produzieren, wenn unter mechanischem Zug stehen . Diese berührungsempfindlichen Transistoren - genannt " taxels " - konnten deutliche Verbesserungen in Auflösung, Empfindlichkeit und aktiv / adaptive Vorgänge bieten im Vergleich zu bestehenden Techniken für taktile Sensor . Ihre Empfindlichkeit ist vergleichbar mit der eines menschlichen Fingerspitze.

Die vertikal ausgerichteten taxels arbeiten mit zwei Anschlüssen Transistoren . Statt einer dritten Gate-Anschluss von herkömmlichen Transistoren verwendet, um den Fluss von Strom, der durch sie zu steuern , zu steuern taxels der Strom mit einer Technik, die " Stamm -Verknüpfung ". Strain- Gating bezogen auf das PIEZOTRONIC Effekt nutzt die elektrischen Ladungen an der Schottky- Kontaktschnittstelle durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt werden, wenn die Nanodrähte unter Belastung durch die Anwendung der mechanischen Kraft gesetzt .

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift berichtet Wissenschaftonline, auf der Website Science Express , und wird in einer späteren Version des Printzeitschrift veröffentlicht werden Wissenschaft. Die Forschung wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency ( DARPA ) gesponsert , die National Science Foundation (NSF) , die US Air Force (USAF ), dem US Department of Energy (DOE) und der Wissensinnovationsprogrammvon der chinesischen Akademie der Sciences .

"Jede mechanische Bewegung , wie beispielsweise die Bewegung der Arme oder Finger eines Roboters könnte auf Steuersignale übersetzt werden ", erklärte Zhong Lin Wang, Regents ' Professor und Hightower Chair in der School of Materials Science and Engineering an der Georgia Institute of Technology. "Dies könnte künstliche Haut intelligenter und wie die menschliche Haut zu machen. Es würde damit die Haut Aktivität auf der Oberfläche zu fühlen. "

Nachahmung der Tastsinn elektronisch ist anspruchsvoll, und wird nun von Messwiderstandsänderungendurch mechanische Berührung aufgefordert wurde. Die durch die Georgia Tech Forscher entwickelten Geräte basieren auf einem anderen physikalischen Phänomen - winzige Polarisationsladungen gebildet wird, wenn piezoelektrische Materialien , wie Zinkoxid, verschoben oder unter Druck gesetzt . In den PIEZOTRONIC Transistoren steuern die piezoelektrischen Ladungen den Stromfluss durch die Drähte wie Gate-Spannungen zu tun in herkömmlichen Drei-Anschluß- Transistoren .

Die Technik arbeitet nur in Materialien die beiden piezoelektrischen und halbleitende Eigenschaften aufweisen. Diese Eigenschaften sind in Nanodrähten und der Wurtzit und Zinkblende Materialfamilien , die Zinkoxid, Galliumnitrid und Cadmiumsulfid enthält erstellt Dünnschichten gesehen .

In ihrem Labor , Wang und seine Co-Autoren - Postdoc Wenzhuo Wu und Wissenschaftlicher Mitarbeiter Xiaonan Wen - hergestellt Arrays von 92 um 92 Transistoren . Die Forscher verwendeten eine chemische Wachstumstechnik bei etwa 85 bis 90 Grad Celsius , die ihnen erlaubt, Anordnungen von Stamm -gesteuerten vertikalen PIEZOTRONIC Transistoren auf Substraten , die sich für die Mikroelektronik -Anwendungen herzustellen. Die Transistoren sind aus Bündeln von etwa 1500 einzelne Nanodrähte , jeder Nanodraht zwischen 500 und 600 Nanometer im Durchmesser.

In den Array-Vorrichtungen werden die aktiven Stamm -gesteuerte vertikale PIEZOTRONIC Transistoren, die zwischen oberen und unteren Elektroden aus Indiumzinnoxid in orthogonalen Querstange ausgerichtet Konfigurationen hergestellt klemmt. Eine dünne Schicht aus Gold ist zwischen den oberen und unteren Flächen der Zinkoxid- Nanodrähten und den Ober- und Unterelektrodenabgeschieden und bilden Schottky-Kontakte . Eine dünne Schicht aus dem Polymer Parylen wird dann auf das Gerät als Feuchtigkeits- und Korrosionsbarriere beschichtet.

Die Array- Dichte ist 234 Pixel pro Zoll , die Auflösung besser als 100 Mikrometer , und die Sensoren zum Aufspüren von Druckänderungen so niedrig wie 10 Kilopascal - Auflösung vergleichbar mit der menschlichen Haut , sagte Wang . Die Georgia Tech Forscher hergestellt bei einem Forschungsprojekt, das fast drei Jahre dauerte mehrere hundert der Arrays .

Die Arrays sind transparent , was ermöglichen kann, dass sie auf Touch - Pads oder andere Geräte für die Abnahme von Fingerabdrücken verwendet werden. Sie sind auch flexibel und faltbar , die Erweiterung der Palette von Einsatzmöglichkeiten .

Zu den möglichen Anwendungen :
• Mehrdimensionale Untererfassung , bei dem nicht nur die Grafik der Signatur einbezogen würden , sondern auch die an jeder Stelle während der Erzeugung der Signatur ausgeübte Druck und die Geschwindigkeit, bei dem die Signatur erzeugt wird.
• Formangepaßten Sensor bei dem eine Änderung in der Form der Vorrichtung gemessen wird. Dies würde bei Anwendungen nützlich sein, wie künstliche / prothetische Haut , smart biomedizinische Anwendungen und intelligente Robotik , in der die Arrays würde spüren, was mit ihnen in Kontakt war .
• Aktive taktile Sensor in der die physiologischen Vorgänge der Mechanorezeptoren biologischer Einheiten , wie Haarfollikel oder die Haare in der Cochlea emuliert werden .
Da die Arrays würden in realen Anwendungen verwendet werden , bewertet die Forscher ihre Haltbarkeit. Die Geräte noch nach 24 Stunden sowohl in Kochsalzlösung und destilliertes Wasser eingetaucht betrieben werden.

Zukünftige Arbeiten umfassen die Herstellung der taxel Arrays aus einzelnen Nanodrähte anstelle von Bundles und die Integration der Arrays auf CMOS- Silizium-Geräte . Verwenden von Einzeldrähten könnte die Empfindlichkeit der Arrays um mindestens drei Größenordnungen zu verbessern, sagte Wang .

"Das ist eine grundlegend neue Technologie, die uns , um elektronische Geräte steuern können direkt über die mechanische Bewegung , " Wang hinzu. "Dies könnte in einem breiten Spektrum von Bereichen, einschließlich der Robotertechnik, MEMS, Mensch-Computer- Schnittstellen und andere Bereiche, die mechanische Verformung beinhalten verwendet werden. "