近日，复旦大学、中国科学院上海硅酸盐研究所在塑性无机半导体的应用研究方面取得重要进展，研究结果以“Full-flexible intelligent thermal touch panel based on intrinsically plastic Ag₂S semiconductor”为题发表在材料类顶级学术期刊Advanced Materials上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202107479）。研究发现，基于本征塑性无机半导体Ag₂S优异的电、热、力等物理性质，设计并制备了16×10的高灵敏柔性热敏触控面板，实现了人体手指轨迹的实时监测以及汉字的智能识别，推动了塑性无机半导体柔性电子等领域的应用研究。复旦大学微电子学院卢红亮教授、张卫教授、中国科学院上海硅酸盐研究所史迅研究员为本文通讯作者，复旦大学微电子学院博士后赵学峰为第一作者。该研究参加单位包括复旦大学、上海硅酸盐所、上海交通大学。

       可穿戴式触控面板是一种典型的柔性电子技术，它可以识别和反馈手指的触摸和运动信息，在触控面板、可穿戴通信设备、柔性机械手等领域具有潜在的应用前景。可穿戴触控板在实际应用过程中需要准确、快速地监测手指运动信号以及承受各种变形的能力。高性能热敏电阻材料是热可穿戴触摸屏的关键功能部件之一，但长期以来存在无机半导体本征脆性、而有机半导体的电性能较低等瓶颈问题。迄今为止，基于无机半导体的热敏电阻材料具有较大的电阻温度系数（TCR），但缺乏机械柔性，而基于有机材料和金属的热敏电阻材料具有较高的柔性但TCR较低。杂化有机/无机材料也试图平衡TCR和灵活性，但在实际应用中存在关键的器件制备工艺复杂等技术难题。

       最近研究发现的塑料无机半导体，如Ag₂S和InSe单晶，具有优异的柔韧性和电学性能，为实现柔性触控面板的高性能热敏电阻材料提供了新的思路。例如，Ag₂S具有非常大的柔塑性，可以被压缩或扭曲成任何形状。此外，它的电阻率可以在几个数量级范围内进行调节，其值从本征半导体区间至重掺杂半导体区域。 受这些新型高性能塑料无机半导体的启发，团队报道了基于塑料Ag₂S无机半导体的高性能全柔性智能温度传感器，其TCR为~- 4.7% /K，检测温度分辨率为0.05 K，响应恢复时间为0.11/0.11 s，优于目前所有的柔性温度传感器。该全柔性智能温度传感器不仅可以监测手指温度，还可以实时跟踪手指运动。利用深度学习算法分析手指触控信号，设计了一款演示汉字、字母等多种汉字的app，凸显了其通用性，为其未来柔性电子领域的应用提供了新的策略。接下来团队还将进一步开展基于塑性无机半导体的应用研究。此外，柔性热敏触摸板受限于传感机制（温度-电阻效应），若环境温度变化大，则会对触摸产生较大影响。研究团队将配置温度补偿传感器以及对数据进行后端处理，从而进一步优化柔性触摸板在实际场景中的应用。

       此项研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金的资助，以及专用集成电路与系统国家重点实验室的支持。

 

图1：基于本质上具有可塑性的硫化银半导体的全柔性智能温度传感器阵列。a）金属、无机和有机半导体的电阻|TCR|与热导率κ的温度系数的绝对值。b）基于Ag₂S的可穿戴式触摸面板的智能无线传输演示。插图显示，用手指触摸基于Ag₂S的温度传感器阵列的汉字识别结果。c）基于塑料Ag₂S半导体的柔性温度传感器阵列的爆炸视图示意图。d）在人手臂上镶嵌的16×10柔性温度传感器阵列的照片。插图显示，具有大面积薄膜形式的Ag₂S被变形为各种形状而不断裂。e）热触摸面板中的手指轨迹识别模型。f）通过将柔性印刷电路板（FPCB）与基于Ag₂S的传感器集成的全柔性触摸屏的照片。

 

图2：基于塑料硫化银半导体的温度传感器的性能。a）基于Ag₂S的柔性传感器的电阻-温度曲线。b）基于Ag₂S的柔性温度传感器的热敏电阻β与温度的材料常数。c）手指触摸装卸过程中，温度步长为0.05 K。 d）热敏电阻电阻随外部温度变化R随时间的响应恢复曲线。

 

图3：全柔性智能触摸面板的性能。a）全柔性智能传感器系统的采集照片，包括传感器模块、信号采集模块、无线传输模块、移动显示模块。b）多路信号采集过程示意图。c，d）不同位置手指触摸的照片及相应的归一化实时感知结果。作为实时手指运动轨迹监控设备的演示：e）绘制标记，f）移动应用程序界面的实时感知图像。g）基于深度学习算法的智能手指运动感知-反馈过程示意图。h）作为可穿戴无线智能触摸面板，可以准确识别不同的手指运动，并将其转换为字母。

 

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.202107479