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01
内容概览
现有技术缺点：
柔性触觉传感器的材料和制造方法与传统微电子和宏电子技术不兼容，限制了特征尺寸和空间分辨率。 柔性触觉传感器的制造工艺涉及转移、键合等步骤，妨碍了与其他基于晶圆的设备和集成电路（ICs）的单片集成。
大面积柔性触觉传感器阵列设计固定，缺乏可定制的空间分布和阵列形状，难以满足多样化应用需求。
利用微电机械系统（MEMS）技术制造柔性模块化触觉传感器，解决了与商业电子设备集成的挑战。 引入具有内应力的
层，构建三维微应变计（μSGs）阵列，实现机械刺激的幅度和方向测量。 传感器与硅（Si）晶片上的其他传感器单片集成，或配置成高空间密度阵列，展现出模块化特征。
柔性触觉传感器能够与拾取和放置、柔性印刷电路板（FPCB）等技术兼容，具有组装成大面积阵列和与商用设备配合使用的潜力。
应用场景：
工业自动化：用于机器人操作，提高机器人的触觉感知能力。
元宇宙：模拟人类皮肤的物理特性和感知能力，提供更真实的交互体验。
医疗诊断：用于皮肤界面连续监测的可穿戴贴片，进行生物力学信号监测。
机器人手术：用于手术机器人，提高手术操作的精确性和安全性。
消费电子：用于人机界面，提供更自然的交互方式。
总结：
该研究通过引入MEMS技术，成功制造了柔性模块化触觉传感器，这些传感器不仅能够与商业电子设备集成，还能在三维空间中精确测量温度、法向力和剪切力。这些传感器的模块化设计使其能够与现有的电子技术兼容，并且可以组装成大面积阵列，适用于多种应用场景，如工业自动化、医疗诊断和消费电子等。研究结果为柔性触觉传感器的设计和制造提供了新的方法，拓宽了其在多个领域的应用前景。
文章名称：Three-dimensional micro strain gauges as flexible, modular tactile sensors for versatile integration with micro- and macroelectronics
期刊：Science Advances
文章DOI：10.1126/sciadv.adp6094
通讯作者：北京大学韩梦迪（ Mengdi Han）
02
图文简介
柔性模块化触觉传感器的设计与制造
如图1（A-C）所示，每个触觉传感器由四个相互连接的三维微型应变传感器（3D μSGs）组成，这些传感器采用镍铬合金（
封装和释放过程对其他类型平面电子器件的制造没有影响。图1K展示了一张包含触觉传感器及各种薄膜器件（如湿度传感器、电极阵列、无线线圈、加热器等）的4英寸晶圆的照片，这些器件在同一晶圆上同时加工。
图1. 柔性模块化触觉传感器的设计与制造。(A) 三维μSGs形成的示意图。(B) 未封装触觉传感器的显微图像。(C) 单个三维μSG的放大显微图像。(D) 在4英寸硅片上处理的184个触觉传感器（对应736个μSGs）的光学图像，产率为100%。(E至G) 触觉传感器的平面图案的显微图像（E）及μSGs的放大视图（（F）和（G））。(H) 在4英寸硅片上封装触觉传感器的光学图像。(I) 从硅片分离后，厚度为0.5 mm的柔性模块化触觉传感器的光学图像。(J) 厚度分别为500和300 μm的触觉传感器与商业芯片和硬币一起放置的光学图像。(K和L) 同时在4英寸硅片上加工的三维触觉传感器与各种平面薄膜器件的光学图像（K）以及从硅片分离后在柔性基板上的光学图像（L）。(L)中的插图显示了在柔性基板上触觉传感器的放大显微图像（比例尺：1 mm）。(M) 在硅片上ICs上制造的触觉传感器的倾斜视图显微图像。
触觉传感器的表征
图2.触觉传感器的表征。(A) 带有硅胶封装的触觉传感器的爆炸视图示意图。(B) 触觉传感器在正常力和剪切力下响应的示意图。(C) μSG和温度模块在正常力作用下的ΔR/R0。(D) 四个μSG在触觉传感器中在剪切力作用下的ΔR/R0。插图展示了R1、R2、R3和R4的位置。(E) μSG和温度模块对温度的ΔR/R0响应。(F) 触觉传感器在加载和卸载过程中的响应时间。(G) 响应时间曲线的放大视图。(H) 在10,000个加载和卸载周期中的ΔR/R0。插图展示了三个连续周期曲线的放大视图。(I) 触觉传感器在不同封装厚度下的正常压力响应。(J) 触觉传感器漂移的表征。
由模块化特征实现的数组和多功能系统
触觉传感器中的四个μSGs相互连接，但通过两个行选择和两个列选择进行分隔（见图3A的左上框）。这种配置产生一个仅有四个连接垫的2×2 μSG阵列（见图3A的左下框）。模块化特性便于在FPCB上进一步组装2×2 μSGs阵列，以扩展阵列的规模（见图3A的右框）。
作者展示了一种使用该连接方案的阵列，其空间密度为
作为演示，作者设计了一种手形柔性电路板（FPCB），在指尖集成了五个模块化高密度阵列（每个阵列包含40个微型传感器，排列为4行10列；图3J-L），并在掌部区域分布了其他模块化触觉传感器（每个传感器由四个微型传感器和一个温度模块组成）（图3I）。
图3. 由模块化触觉传感器构建的各种阵列。(A) 行和列选择的示意图，包括单个触觉传感器的互连及4×4阵列在柔性印刷电路板（FPCB）上的排列。(B和C) 8×8触觉传感器阵列在施加正常力形成字母P形状时的光学图像(B)和压力分布结果(C)。(D和E) 8×8触觉传感器阵列在加热器靠近时的光学图像(D)和温度分布结果(E)。(F) 带有行和列选择的触觉传感器阵列的显微图像。
图4. 基于模块化触觉传感器和其他电子元件构建的多功能系统。(A和B) 触觉传感器和集成在机器人手上的柔性电路板（FPCB）的光学图像(A)，用于监测脉搏信号(B)。插图展示了触觉传感器的放大视图。(C) (B)中FPCB的放大视图。(D) 在健康参与者的桡动脉上按压机器人手的食指时，电路产生的电压信号（黑色曲线）和触觉传感器的转换电阻变化（绿色曲线）。(E) 包含触觉传感器和无线电路的可穿戴贴片的光学图像。(F和G) 可穿戴贴片在健康参与者下肢皮肤上的光学图像，分别为覆盖压缩绷带前(F)和后(G)。(H) 由触觉传感器和多种商业可得传感器组成的多功能传感模块的光学图像。(I) 在多功能传感模块上记录的接近传感器和触觉传感器的时域响应，经历了三次外部物体接近和按压的周期。(J和K) 与一系列触觉传感器和多个ASIC芯片集成的FPCB的光学图像(J)及其放大视图(K)。(L) 通过FPC电缆连接到无线抗串扰电路的触觉传感器阵列的光学图像。
皮肤界面的触觉映射
为了在皮肤界面应用触觉传感器阵列，作者使用低模量、生物相容的硅橡胶（Ecoflex 00-30；模量约为68 kPa）对传感器进行封装，并在阵列的底面涂覆一层生物相容的粘合剂（MG-2402）。尽管封装由于周围材料的变化稍微影响了传感器的性能，但可以重新校准灵敏度以确保准确性。此外，封装层覆盖了柔性印刷电路板（FPCB）的锐利边缘，从而使触觉传感器阵列能够安全地紧密贴合于人体。粘合剂层确保了传感器与皮肤之间的稳定界面，并防止传感器在剧烈运动中脱落。此处触觉传感器阵列的总厚度和横向尺寸分别为约1.5 mm和45 cm x 42 cm。厚度与边长的比率达到约1:30，足够小以允许在多种应用中实现良好的顺应性和适应性。
图5. 皮肤界面的触觉信息空间映射。(A) 封装触觉传感器阵列的光学图像。(B) 贴附于健康人参与者肘关节附近的三头肌上的触觉传感器阵列的光学图像。(C和D) 由于体温引起的温度模块的ΔR/R0 (C) 和μSGs的ΔR/R0 (D)。(E和F) 当肘关节从屈曲位置过渡到伸展位置时的光学图像 (E) 和μSGs的ΔR/R0 (F)。(G和H) 当肘关节从伸展位置过渡到扭转状态时的光学图像 (G) 和μSGs的ΔR/R0 (H)。(I到K) 当肘关节垂直压在木板上时的光学图像 (I)、μSGs的ΔR/R0 (J) 和说明剪切分量的矢量图 (K)。(L到N) 当肘关节斜压在木板上时的光学图像 (L)、μSGs的ΔR/R0 (M) 和说明剪切分量的矢量图 (N)。
03
文献来源
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
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