Med hjälp av buntar av vertikala zinkoxidnanotrådar, Forskare har tillverkat uppsättningar av piezotroniska transistorer som kan omvandla mekanisk rörelse direkt till elektroniska styrsignaler. Arrayerna kan hjälpa robotar att ge en mer adaptiv känsel, ger bättre säkerhet i handskrivna signaturer och erbjuder nya sätt för människor att interagera med elektroniska enheter.

Arrayerna inkluderar mer än 8, 000 fungerande piezotroniska transistorer, som var och en oberoende kan producera en elektronisk styrsignal när de utsätts för mekanisk belastning. Dessa beröringskänsliga transistorer – kallade "taxels" – skulle kunna ge betydande förbättringar i upplösning, känslighet och aktiva/adaptiva operationer jämfört med befintliga tekniker för taktil avkänning. Deras känslighet är jämförbar med den hos en mänsklig fingertopp.

De vertikalt inriktade taxels arbetar med två-terminala transistorer. Istället för en tredje grindterminal som används av konventionella transistorer för att styra strömflödet som passerar genom dem, taxels styr strömmen med en teknik som kallas "strain-gating". Strain-gating baserad på den piezotroniska effekten använder de elektriska laddningar som genereras vid Schottky-kontaktgränssnittet av den piezoelektriska effekten när nanotrådarna utsätts för spänning genom applicering av mekanisk kraft.

Forskningen kommer att redovisas den 25 april i tidskriften Vetenskap uppkopplad, vid Science Express hemsida, och kommer att publiceras i en senare version av den tryckta tidskriften Vetenskap .

"Alla mekaniska rörelser, såsom rörelse av armar eller fingrar på en robot, kan översättas till styrsignaler, " förklarade Zhong Lin Wang, en Regents professor och Hightower Chair vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Detta kan göra konstgjord hud smartare och mer lik den mänskliga huden. Det skulle tillåta huden att känna aktivitet på ytan."

Att härma känseln elektroniskt har varit utmanande, och görs nu genom att mäta förändringar i motståndet till följd av mekanisk beröring. De enheter som utvecklats av Georgia Tech-forskarna förlitar sig på ett annat fysiskt fenomen - små polarisationsladdningar som bildas när piezoelektriska material som zinkoxid flyttas eller utsätts för påfrestningar. I de piezotroniska transistorerna, de piezoelektriska laddningarna styr strömflödet genom ledningarna precis som gate-spänningar gör i konventionella tre-terminala transistorer.

Tekniken fungerar endast i material som har både piezoelektriska och halvledande egenskaper. Dessa egenskaper ses i nanotrådar och tunna filmer skapade från wurtzit- och zinkblandningsfamiljerna av material, som inkluderar zinkoxid, galliumnitrid och kadmiumsulfid.

I deras laboratorium, Wang och hans medförfattare – postdoktor Wenzhuo Wu och forskarassistent Xiaonan Wen – tillverkade arrayer av 92 gånger 92 transistorer. Forskarna använde en kemisk tillväxtteknik vid cirka 85 till 90 grader Celsius, vilket gjorde det möjligt för dem att tillverka arrayer av töjningsstyrda vertikala piezotroniska transistorer på substrat som är lämpliga för mikroelektroniktillämpningar. Transistorerna är uppbyggda av buntar om cirka 1, 500 individuella nanotrådar, varje nanotråd mellan 500 och 600 nanometer i diameter.

I arrayenheterna, de aktiva töjningsstyrda vertikala piezotroniska transistorerna är placerade mellan topp- och bottenelektroder gjorda av indiumtennoxid inriktade i ortogonala tvärstångskonfigurationer. Ett tunt lager av guld avsätts mellan de övre och nedre ytorna av zinkoxidnanotrådarna och de övre och nedre elektroderna, bilda Schottky-kontakter. Ett tunt lager av polymeren Parylen beläggs sedan på anordningen som en fukt- och korrosionsbarriär.

Arraydensiteten är 234 pixlar per tum, upplösningen är bättre än 100 mikron, och sensorerna kan upptäcka tryckförändringar så låga som 10 kilopascal – upplösning jämförbar med den mänskliga hudens, sa Wang. Georgia Tech-forskarna tillverkade flera hundra av arrayerna under ett forskningsprojekt som varade i nästan tre år.

Arrayerna är genomskinliga, vilket skulle kunna göra det möjligt för dem att användas på pekplattor eller andra enheter för fingeravtryck. De är också flexibla och vikbara, utöka utbudet av potentiella användningsområden.

Bland de potentiella applikationerna:

• Multidimensionell signaturinspelning, där inte bara grafiken av signaturen skulle inkluderas, men också trycket som utövades på varje plats under skapandet av signaturen, och den hastighet med vilken signaturen skapas.
• Formadaptiv avkänning där en förändring av enhetens form mäts. Detta skulle vara användbart i applikationer som konstgjord/protetisk hud, smarta biomedicinska behandlingar och intelligent robotik där arrayerna skulle känna av vad som var i kontakt med dem.
• Aktiv taktil avkänning där de fysiologiska operationerna av mekanoreceptorer av biologiska enheter som hårsäckar eller hårstrån i snäckan efterliknas.

Eftersom arrayerna skulle användas i verkliga applikationer, forskarna utvärderade deras hållbarhet. Anordningarna fungerade fortfarande efter 24 timmar nedsänkta i både saltlösning och destillerat vatten.

Framtida arbete kommer att inkludera att producera taxel-arrayerna från enstaka nanotrådar istället för buntar, och att integrera arrayerna på CMOS-kiselenheter. Att använda enstaka ledningar kan förbättra känsligheten hos arrayerna med minst tre storleksordningar, sa Wang.

"Detta är en fundamentalt ny teknik som gör att vi kan styra elektroniska enheter direkt med hjälp av mekanisk omrörning, " tillade Wang. "Detta kan användas inom ett brett spektrum av områden, inklusive robotik, MEMS, människa-dator-gränssnitt och andra områden som involverar mekanisk deformation."