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文章导读

2024年12月，清华大学精密测量技术与仪器国家重点实验室的叶雄英教授课题组在《Nano Energy》发文，提出了一种基于氧化铟镓锌（IGZO）薄膜晶体管（TFT）的驻极体传感器阵列（TESA），实现了高精度时空压力感知与静态/动态力学信号的高灵敏度同步检测，为电子皮肤及健康监测领域提供了创新解决方案。 

文章概述

时空压力感知是电子皮肤（E-skin）实现人机交互、医疗监测等功能的核心需求。传统摩擦电传感器虽具有低功耗、高灵敏等优势，但其高输出阻抗特性导致低频与静态压力检测存在瓶颈。针对此难题，研究团队创新性地将驻极体传感器与IGZO TFT阵列集成，通过TFT的高输入阻抗特性实现了传感器输出信号的精准读取，同时利用晶体管的超线性放大效应显著提升了传感器的灵敏度（达55.37 kPa⁻¹）与宽压力范围线性响应。

研究组通过微纳加工工艺制备了TFT层与微结构弹性间隔层，结合预充电聚四氟乙烯（PTFE）驻极体薄膜，构建了高密度传感器阵列。实验表明，该阵列不仅可精准识别物体形状与触觉刺激（如滑动、轻击等动态刺激），还能同步记录静态压力分布与动脉脉搏波的时空特征，单周期脉搏信号中可清晰分辨收缩峰（P1）与反射波峰（P2），为心血管健康评估提供了多维度生理信息。此外，传感器在微小压力波动（低至75 Pa）下仍表现出快速响应（64 ms）与高信噪比，突破了传统摩擦电器件在静态检测中的局限。

该研究首次将TFT的阻抗匹配特性与驻极体传感器的电荷调控优势相结合，提出了时空压力感知的新范式。所开发的TESA阵列在医疗监测（如无创血压评估）、柔性电子皮肤及智能机器人触觉系统中展现出广阔应用前景。未来通过柔性基底设计与工艺优化，可进一步推动器件在可穿戴设备中的实用化进程。

该成果以《Electret mechano-sensor array integrated with tribopotential-modulated thin film transistors for precise spatiotemporal pressure perception》为题发表在《Nano Energy》上。清华大学精密仪器系博士研究生任超为本文的第一作者。曹泽元博士，叶雄英教授为本文共同通讯作者。

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https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110351