半导体情报，科学家研发高密度集成的柔性模块化触觉传感器！

【科学背景】

随着柔性电子技术的迅猛发展，柔性触觉传感器因其在多种应用中的潜力而引起了科学家的广泛关注。柔性触觉传感器的核心概念是模仿人类皮肤的物理特性和感知能力，以实现对外部环境的高精度感测。这些传感器在工业自动化、人机界面、机器人操作和生物医学等领域具有重要应用前景。然而，由于其柔性的形式因子，这些传感器在与基于晶片的设备、商业芯片或电路板的集成方面面临诸多挑战。

具体来说，现有的柔性触觉传感器面临以下几个主要难题：首先，一些用于制造这些传感器的弹性或复合材料无法使用传统的光刻和湿/干法刻蚀进行图案化，从而限制了触觉传感器的特征尺寸和空间分辨率。其次，构建柔性触觉传感器的过程通常需要转移、粘接等步骤，这些步骤阻碍了与其他基于硅片的设备和集成电路（IC）的单片集成。第三，大面积的柔性触觉传感器阵列通常具有固定设计，而为了满足多样的应用需求，需要可定制的空间分布和整体形状。

有鉴于此，北京大学未来技术学院生物医学工程系助理教授韩梦迪研究员团队提出了一套创新的制造方法和设备设计方案。这些方案包括利用微电机系统（MEMS）技术制造柔性模块化触觉传感器，通过在传感器中引入具有内应力的二氧化硅（SiO2）层，使得可以构建用于测量机械刺激的三维微应变传感器（μSGs）阵列。

这种方法与微电子工艺的兼容性使得这些传感器能够与其他传感器在硅（Si）晶片上进行单片集成，或配置成具有高空间密度的阵列。此外，这些传感器还具有模块化特性，使其与贴片、柔性印刷电路板（FPCB）及其他宏电子技术兼容，可以组装成大面积阵列，并与商业设备配合使用。

【科学亮点】

1. 本文首次展示了高密度集成的柔性模块化触觉传感器。这些传感器通过在晶片或柔性印刷电路板（FPCB）上布置二维和三维金属/合金细线，实现了与其他电子组件的无缝集成。这种设计克服了传统柔性传感器在集成中的挑战，提高了传感器的空间分辨率和适应性。

2. 实验采用模块化设计和微电机系统（MEMS）技术，使得传感器能够在柔性印刷电路板上与商业电子产品配合，形成多种电子系统。这些系统具备了无线测量皮肤界面、生物力学信号连续监测和触觉信息空间映射的能力，展示了柔性传感器在不同应用场景中的兼容性。

3. 实验表明，这些二维和三维金属/合金细线的触觉传感器能够准确区分法向力、剪切力和温度，并且对弯曲和拉伸等机械刺激具有免疫性。这种高空间分辨率和大面积覆盖的能力，使得这些传感器在机器人技术、生物医学和消费电子产品中具有广泛的应用潜力。

【科学图文】

图 1. 柔性模块化触觉传感器的设计与制造。

图 2. 触觉传感器的表征。

图 3. 由模块化触觉传感器构建的各种阵列。

图 4. 由模块化触觉传感器和其他电子组件构建的多功能系统。

图 5. 皮肤界面的触觉信息空间映射。

【科学结论】

本文的研究提供了关于柔性触觉传感器设计与制造的新视角，揭示了将这些传感器与电子组件无缝集成的潜力。通过利用光刻定义的金属/合金细线，这些传感器在三维空间中精准测量法向力、剪切力和温度，并对弯曲和拉伸等机械刺激表现出免疫性。这种设计不仅提高了传感器的空间分辨率和测量准确性，还扩展了其在机器人技术、生物医学和消费电子等领域的应用前景。尤其是高密度阵列、柔性多功能系统、大面积弯曲无敏感阵列和无线可穿戴贴片等示例，展示了柔性触觉传感器在微电子和宏电子技术中的兼容性及其实际应用潜力。研究表明，通过优化传感器的设计和集成策略，可以显著提升其性能，并为未来的技术进步提供新的机会。

参考文献：Chen Xu et al. ,Three-dimensional micro strain gauges as flexible, modular tactile sensors for versatile integration with micro- and macroelectronics.Sci. Adv.10,eadp6094(2024).DOI:10.1126/sciadv.adp6094