本发明涉及电子器件及其制备，具体涉及一种人工触觉感知系统及其应用。
背景技术：
1、进入5g和物联网（iot）时代，数据量正经历爆炸式增长。然而，现有的人工智能技术仍主要基于计算单元和存储单元分离的冯·诺伊曼架构。这种架构导致了数据传输效率低下，并限制其计算速度。因此，对于需要复杂模式识别或实时分析的任务来说，此体系的能效较低。相比之下，受大脑启发的神经形态计算将储存和处理功能集成在一起，从而实现对信息的并行处理，并展现出高效性。值得注意的是，对于基于硬件的神经形态计算而言，构建能够模拟神经形态功能、实现高效计算和数据处理的可靠器件是非常必要的。目前，两端忆阻器和三端晶体管神经形态器件已经被提出用于神经形态计算，并展现出巨大的应用潜力。另一方面，人机交互、生物机器人和智能传感系统等智能技术正迅猛发展。这一趋势推动了对灵活智能传感器的需求。与此同时，人体在外界信号的作用下，感觉器官中的感受器会产生生理反应，将这些信号转化为电信号和化学信号。随后，这些神经信号传递到大脑皮层，形成感知活动。
2、目前，基于单个神经形态器件和独立电子皮肤等传感器的系统无法同时实现信息的感测、计算和存储。因此，研发具有感测、计算和存储一体化功能的多功能集成电子器件显得尤为重要。鉴于此，本发明提出了一种人工触觉感知系统及其应用。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题提供一种人工触觉感知系统及其应用，该人工触觉感知系统通过电容式触觉传感器感测外界的压力信号并将压力信号转换为电信号，并以薄膜晶体管作为神经形态器件和信息处理存储元件，通过薄膜晶体管实现对电信号的计算和存储，从而实现信号的感测、计算和存储功能，该人工触觉感知系统可应用于实现模拟人脑的多重记忆功能、摩斯电码的解码功能和仿生高通滤波功能，有望在下一代电子皮肤和可穿戴人机界面中发挥重要作用。
2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种人工触觉感知系统，所述的人工触觉感知系统包括薄膜晶体管以及与所述的薄膜晶体管串联的电容式触觉传感器，所述的电容式触觉传感器为由上电极、介电层和下电极依次叠置而成的三明治结构，所述的上电极包括第一衬底和第一导电层，所述的第一衬底为pet薄膜，所述的介电层为壳聚糖薄膜，所述的介电层沉积在所述的第一导电层的表面，所述的下电极包括第二衬底和第二导电层，所述的第二衬底的材料为弹性体，所述的第二衬底的表面具有金字塔形微结构阵列，所述的第二导电层为沉积在所述的第二衬底的表面的导电颗粒，所述的第二导电层设置在所述的介电层的正下方，所述的第二导电层的表面的边缘设置有一圈绝缘材料组成的垫高圈，所述的第二导电层与所述的介电层之间具有空隙，所述的薄膜晶体管包括自下而上依次设置的第三衬底、第三导电层、绝缘层和电极组件，所述的绝缘层为固态电解质膜，所述的电极组件包括两个电极及连接所述的两个电极的导电界面，其中一个所述的电极为所述的薄膜晶体管的源极，另一个所述的电极为所述的薄膜晶体管的漏极，所述的导电界面为半导体沟道，所述的两个电极和所述的导电界面的材料均为金属氧化物，所述的第三导电层的材料为氧化物，所述的第三导电层为所述的薄膜晶体管的栅极，所述的薄膜晶体管的栅极与所述的第二导电层通过第一导线连接，所述的两个电极为所述的人工触觉感知系统的信号输出端。
3、本发明人工触觉感知系统的工作原理：上电极受压后，介电层与第二导电层之间的空隙减小，介电层与第二导电层之间的接触面积增大，电容式触觉传感器的电容值增加，电容式触觉传感器感测外界的压力信号并将压力信号转换为电信号，该电信号通过第一导线传输至薄膜晶体管的栅极，触发薄膜晶体管的固态电解质膜内部质子的迁移，对薄膜晶体管的半导体沟道产生调控效应，实现对薄膜晶体管的输出电流大小的精细调控，通过检测薄膜晶体管的源极和漏极之间的沟道电流，实现触觉感知。
4、作为优选，所述的弹性体为聚二甲基硅氧烷（pdms），所述的第二导电层包括第一沉积层和第二沉积层，所述的导电颗粒为铝颗粒、银颗粒、金颗粒中的任意一种颗粒与氧化铟锡（ito）颗粒的组合，所述的氧化铟锡颗粒通过磁控溅射溅射沉积在所述的第二衬底的表面形成所述的第一沉积层，所述的铝颗粒、所述的银颗粒或所述的金颗粒通过热蒸镀沉积在所述的第一沉积层的表面形成所述的第二沉积层。
5、作为优选，所述的第三衬底为玻璃衬底，所述的固态电解质膜的材料为壳聚糖，所述的第一导电层和所述的第三导电层的材料均为氧化铟锡，所述的两个电极和所述的导电界面的材料均为氧化铟锡（ito）、氧化铟锌（izo）、氧化铟钨（iwo）或铟镓锌氧化物（igzo），所述的电极组件为图案化的电极组件，所述的电极组件通过一步掩膜法沉积在所述的固态电解质膜的表面。
6、作为优选，所述的固态电解质膜的制备方法为：配制壳聚糖溶液，采用滴涂法将壳聚糖溶液滴涂到所述的第三导电层的表面，烘干后，即在所述的第三导电层的表面形成所述的固态电解质膜。
7、作为优选，所述的垫高圈的高度为200 μm~2 mm。
8、作为优选，所述的绝缘层的厚度为1~50 μm，所述的两个电极的厚度分别为100~300 nm，所述的导电界面的厚度为10~50 nm。
9、作为优选，所述的下电极的制备方法为：准备带有倒金字塔形凹坑阵列的硅模具，先配制含有所述的弹性体的组分的溶液，再将该溶液倒入所述的硅模具，烘干后脱模，即得到表面具有金字塔形微结构阵列的所述的第二衬底，然后在所述的第二衬底的表面沉积所述的导电颗粒形成所述的第二导电层，即得到所述的下电极。采用带有倒金字塔形凹坑阵列的硅模具制备第二衬底，不仅优化了电容式触觉传感器的制造流程，还极大地提升了电容式触觉传感器的灵敏度与响应速度。
10、作为优选，所述的介电层的制备方法为：配制壳聚糖溶液，采用滴涂法将壳聚糖溶液滴涂到所述的第一导电层的表面，烘干后，即在所述的第一导电层的表面形成所述的介电层。
11、作为优选，所述的电容式触觉传感器的封装方法为：在所述的第二导电层的一侧连接所述的第一导线，在所述的第一导电层的远离所述的第一导线的一侧连接第二导线，在所述的第二导电层的表面的边缘设置一圈所述的垫高圈，再将所述的介电层朝下，使沉积有所述的介电层的上电极叠放在所述的垫高圈上，即得到具有三明治结构的所述的电容式触觉传感器，最后用绝缘膜包裹所述的电容式触觉传感器。
12、上述人工触觉感知系统可实现多种应用，包括模拟人脑的多重记忆功能、摩斯电码的解码功能以及仿生高通滤波功能。
13、与现有技术相比，本发明具有如下优点：
14、1）本发明首次实现了电容式触觉传感器与薄膜晶体管的创新性集成，能够通过外界压力直接作用于电容式触觉传感器，进而动态调控薄膜晶体管的响应特性；
15、2）本发明人工触觉感知系统具有成本低廉的优点，其通过电容式触觉传感器感测外界的压力信号并将压力信号转换为电信号，并以薄膜晶体管作为神经形态器件和信息处理存储元件，通过薄膜晶体管实现对电信号的计算和存储，从而实现信号的感测、计算和存储功能，能够为形成感测与存储一体化的多功能集成电子器件提供技术支持，不仅拓宽了电容式触觉传感器的应用领域，也为压力-电信号转换技术开辟了新的研究路径，本发明人工触觉感知系统有望在下一代电子皮肤和可穿戴人机界面中发挥重要作用；
16、3）通过对本发明人工触觉感知系统的电容式触觉传感器施加不同数量的压力，以调控薄膜晶体管的输出信号，此外，还能通过对本发明人工触觉感知系统的电容式触觉传感器施加不同大小的压力来模拟人脑的多重记忆功能，从而实现本发明人工触觉感知系统在实现模拟人脑的多重记忆功能中的应用；
17、4）通过对本发明人工触觉感知系统的电容式触觉传感器施加有规律的压力，可实现摩斯电码的解码功能和仿生高通滤波功能，从而实现本发明人工触觉感知系统在实现摩斯电码的解码功能和仿生高通滤波功能中的应用。
1.一种人工触觉感知系统，其特征在于，所述的人工触觉感知系统包括薄膜晶体管以及与所述的薄膜晶体管串联的电容式触觉传感器，所述的电容式触觉传感器为由上电极、介电层和下电极依次叠置而成的三明治结构，所述的上电极包括第一衬底和第一导电层，所述的第一衬底为pet薄膜，所述的介电层为壳聚糖薄膜，所述的介电层沉积在所述的第一导电层的表面，所述的下电极包括第二衬底和第二导电层，所述的第二衬底的材料为弹性体，所述的第二衬底的表面具有金字塔形微结构阵列，所述的第二导电层为沉积在所述的第二衬底的表面的导电颗粒，所述的第二导电层设置在所述的介电层的正下方，所述的第二导电层的表面的边缘设置有一圈绝缘材料组成的垫高圈，所述的第二导电层与所述的介电层之间具有空隙，所述的薄膜晶体管包括自下而上依次设置的第三衬底、第三导电层、绝缘层和电极组件，所述的绝缘层为固态电解质膜，所述的电极组件包括两个电极及连接所述的两个电极的导电界面，其中一个所述的电极为所述的薄膜晶体管的源极，另一个所述的电极为所述的薄膜晶体管的漏极，所述的导电界面为半导体沟道，所述的两个电极和所述的导电界面的材料均为金属氧化物，所述的第三导电层的材料为氧化物，所述的第三导电层为所述的薄膜晶体管的栅极，所述的薄膜晶体管的栅极与所述的第二导电层通过第一导线连接，所述的两个电极为所述的人工触觉感知系统的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的一种人工触觉感知系统，其特征在于，所述的弹性体为聚二甲基硅氧烷，所述的第二导电层包括第一沉积层和第二沉积层，所述的导电颗粒为铝颗粒、银颗粒、金颗粒中的任意一种颗粒与氧化铟锡颗粒的组合，所述的氧化铟锡颗粒通过磁控溅射溅射沉积在所述的第二衬底的表面形成所述的第一沉积层，所述的铝颗粒、所述的银颗粒或所述的金颗粒通过热蒸镀沉积在所述的第一沉积层的表面形成所述的第二沉积层。
3.根据权利要求1所述的一种人工触觉感知系统，其特征在于，所述的第三衬底为玻璃衬底，所述的固态电解质膜的材料为壳聚糖，所述的第一导电层和所述的第三导电层的材料均为氧化铟锡，所述的两个电极和所述的导电界面的材料均为氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铟钨或铟镓锌氧化物，所述的电极组件为图案化的电极组件，所述的电极组件通过一步掩膜法沉积在所述的固态电解质膜的表面。
4.根据权利要求3所述的一种人工触觉感知系统，其特征在于，所述的固态电解质膜的制备方法为：配制壳聚糖溶液，采用滴涂法将壳聚糖溶液滴涂到所述的第三导电层的表面，烘干后，即在所述的第三导电层的表面形成所述的固态电解质膜。
5. 根据权利要求1所述的一种人工触觉感知系统，其特征在于，所述的垫高圈的高度为200 μm~2 mm。
6. 根据权利要求1所述的一种人工触觉感知系统，其特征在于，所述的绝缘层的厚度为1~50 μm，所述的两个电极的厚度分别为100~300 nm，所述的导电界面的厚度为10~50nm。
7.根据权利要求1所述的一种人工触觉感知系统，其特征在于，所述的下电极的制备方法为：准备带有倒金字塔形凹坑阵列的硅模具，先配制含有所述的弹性体的组分的溶液，再将该溶液倒入所述的硅模具，烘干后脱模，即得到表面具有金字塔形微结构阵列的所述的第二衬底，然后在所述的第二衬底的表面沉积所述的导电颗粒形成所述的第二导电层，即得到所述的下电极。
8.根据权利要求1所述的一种人工触觉感知系统，其特征在于，所述的介电层的制备方法为：配制壳聚糖溶液，采用滴涂法将壳聚糖溶液滴涂到所述的第一导电层的表面，烘干后，即在所述的第一导电层的表面形成所述的介电层。
9.根据权利要求1所述的一种人工触觉感知系统，其特征在于，所述的电容式触觉传感器的封装方法为：在所述的第二导电层的一侧连接所述的第一导线，在所述的第一导电层的远离所述的第一导线的一侧连接第二导线，在所述的第二导电层的表面的边缘设置一圈所述的垫高圈，再将所述的介电层朝下，使沉积有所述的介电层的上电极叠放在所述的垫高圈上，即得到具有三明治结构的所述的电容式触觉传感器，最后用绝缘膜包裹所述的电容式触觉传感器。
10.权利要求1-9中任一项所述的一种人工触觉感知系统在实现模拟人脑的多重记忆功能、摩斯电码的解码功能和仿生高通滤波功能中的应用。
