用于可穿戴人机界面设备的基于金属氧化物半导体纳米膜多功能电子器件

柔性电子

小编这次和大家聊聊用于可穿戴人机界面设备的基于金属氧化物半导体纳米膜多功能电子器件。

研究背景

可穿戴式人机界面（HMI）作为人与机器之间的直接通信路径，是一类重要的设备，可实现人与机器交互和协作。但现有的可穿戴HMI设备采用的是刚性电子芯片和传感器，笨重且佩戴舒服感差，响应时间慢，一次仅能实现单一功能等，限制了推广应用。

美国休斯顿大学的余存江课题组制备了一款微型、超薄、可伸缩的可穿戴HMI设备，具有制备方便、多功能、坚固耐久等特点。论文“Metal oxide semiconductor nanomembrane–based soft unnoticeable multifunctional electronics for wearable human-machine interfaces”发表在《Science Advances》杂志封面上。

主要研究成果

论文作者合成了一种溶胶-凝胶聚合物氧化铟（IZO）纳米膜，在紫外光下呈现高吸收率，而在可见光下又呈现出高透射率。通过X射线衍射和X射线光电子能谱分析证实IZO纳米膜具有半导体特性，氧空位的原子百分比为42.45%，呈无定形非晶结构。

在厚度为3~4 μm的柔性IZO纳米膜上，可同时制备阻变存储器（ReRAM）阵列、场效应晶体管（FET）阵列、分布式、紫外线传感器、应变传感器和加热器等组件。试验结果显示，在拉伸力作用下，ReRAM、FET、温度传感器、紫外传感器均能稳定运行。

IZO纳米膜电子器件，具有超薄、可拉伸、多功能的显著优势，可用来构建一套可穿戴式闭环人机界面系统。例如，人们日常佩戴时，利用其柔性皮肤传感器来感知皮肤微小应变，可检测人体运动信号；若佩戴在机器手的假体皮肤上，通过其温度传感器可感知周围环境的温度或抓取物体的温度。

图1 超薄、可拉伸、人类无缝佩的多功能 HMI 设备

A）超薄多功能HMI设备的分解图示意图。（B）人体前臂上装置的光学图像。插图是放大的图像。（C）设备在一块复制皮肤上的 SEM 图像。（D）机械变形下人体皮肤上的设备光学图像：压缩（左）和拉伸（右）。

图2 ReRAM的特性

（A）基于IZO纳米膜的ReRAM的示意图分解图。（B） ReRAM的光学显微图像。（C） ReRAM双极性开关的I-V特性。（D） ReRAM的WRER周期。（E）基于IZO纳米膜的ReRAM在应变下的连续图像以及IZO的相应FEA结果。（F） LRS和HRS的电流和I组/我小时在压力下。

图3 FET的特性

（G）IZO FET的分解图示意图。（H）场效应管的光学显微图像。（I）场效应管的输出特性。（J）场效应管的转移特性。（K）应变下场效应管的顺序图像和IZO的相应有限元分析结果。（L）计算出的IZO和I的场效应迁移率上/我关闭的场效应管承受应变

图4 应变传感器的特性

（A）IZO应变传感器的分解图示意图。（B）应变传感器的光学显微图像。（C）应变传感器的校准曲线。（D）循环拉伸和松弛下应变传感器的相对电阻变化。（E）应变传感器在应变下的连续图像和IZO的相应FEA结果。

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