基于3D集成磁传感器的电子皮肤可精确感知触摸方向

原创 MEMS 2022-05-04 00:00

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德国科学家们开发了一种用于将软性超紧凑和高度集成的传感器单元小型化的新方法，以实现电子皮肤系统中的定向触觉敏感性。

据麦姆斯咨询报道，近日，来自德国开姆尼茨工业大学和莱布尼茨固态与材料研究所的研究团队在开发集成人造毛发的敏感电子皮肤（e-skin）方面取得重要进展。电子皮肤是一种灵活的电子仿生系统，其试图模仿人类天然皮肤的敏感性。电子皮肤的应用范围从“皮肤替换和身体上的医疗传感器”到“人形机器人和机器人的人造皮肤”。微小的表面毛发可以感知和预测人类皮肤上最轻微的触觉，甚至可以识别触摸的方向。目前的电子皮肤系统缺乏这种能力，无法收集有关触摸方向的关键信息。

开姆尼茨工业大学纳米电子材料系统教授及纳米膜材料、结构和集成研究中心（MAIN）科学主任Oliver G. Schmidt领导的一支研究团队已经探索出一种新的途径来开发高度敏感和方向相关的3D集成磁传感器，可以集成到电子皮肤系统（有源矩阵）中。该研究团队使用了一种全新的方法来实现3D集成传感器阵列的小型化和高度集成，并朝着模仿人类皮肤的自然触感迈出了重要一步。该研究团队在Nature Communications期刊上介绍了最新的研究成果。

人造电子皮肤（e-skin）：3D集成磁传感器阵列可以感知人造皮肤上毛发的运动

Oliver G. Schmidt教授研究团队的博士生、该研究论文的第一作者Christian Becker介绍说：“我们的方法使得传感器元件能在三维空间中精确排布，并可以在并行制造过程中大批量生产。这种传感器系统很难通过已有的微电子制造方法实现。”

新方法：微型折纸工艺实现传感器与微电子元件的3D集成

该研究团队提出的传感器系统核心是各向异性磁阻（AMR）传感器。AMR传感器可用于精确测量磁场的变化。AMR传感器目前被用于汽车速度传感器、手机磁力计，或用于确定各种机器中运动部件的位置和角度。

为了开发高度紧凑的3D集成传感器系统，研究人员采用了“微型折纸工艺（micro-origami process）“。该工艺用于将AMR传感器组件折叠成三维架构，可以解析三维磁场矢量场。微型折纸工艺使得大量微电子元件可安装在狭小的空间中，并将它们排列成任何传统微加工技术都无法实现的几何形状。“微型折纸工艺是20多年前开发的技术，很高兴看到这项‘优雅’技术的全部潜力现在可用于新型传感器和微电子应用。”Oliver G. Schmidt教授说道。

该研究团队将磁传感器阵列集成到单个有源矩阵中，其中每个单独的传感器都可以通过微电子元件方便地寻址和读取。对该研究项目的概念、设计和实施做出了决定性贡献的Daniil Karnaushenko博士表示：“有源矩阵磁传感器与自组装微型折纸架构的结合是一种全新的方法，可将高分辨率传感器系统小型化和集成化。”

微型折纸工艺实现的3D集成磁传感器阵列，可以检测具有高空间分辨率的磁场矢量场

基于3D集成磁传感器的电子皮肤实时预测和感知触摸方向

该研究团队已成功地将带有磁根的毛发与3D集成磁传感器融合至人造电子皮肤中。电子皮肤由弹性材料制成，其中嵌入了电子元件和传感器——类似于与神经交织的有机皮肤。

当毛发被触摸或弯曲时，电子皮肤底层的3D集成磁传感器可以检测到磁根的运动和确切位置。因此，该磁传感器矩阵不仅能够记录头发的运动，还可以确定运动的确切方向。与真实的人类皮肤一样，电子皮肤上的每一根头发及底部磁传感器都成为一个完整的传感器单元，可以感知和检测附近的变化。3D集成磁传感器与磁根之间的实时磁机耦合提供了一种新型电子皮肤触觉感知系统。当人类和机器人紧密合作时，这种能力非常重要。例如，机器人可以在有意接触或意外碰撞即将发生之前，提前感知与人类同伴的互动并提供许多细节。