基于压电传感器和FeFET的近传感器模拟计算，用于触觉感知系统
2025-08-24 21:37:48   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

人工触觉系统是人机界面（HMI）的核心组成部分，广泛应用于机器人假肢和生物电子皮肤等领域。随着物联网（IoT）的发展，对实时智能交互的需求日益增长，下一代触觉系统有望在模拟人类触觉识别能力的同时，具备节能计算能力。虽然传统的研究多聚焦于提升传感器性能，但大规模触觉网络仍面临功耗过高、传输延迟及计算瓶颈等关键挑战。因此，研究趋势正逐渐转向单片系统级架构，通过将计算功能嵌入传感器单元，提升能源和处理效率。

单片三维（M3D）集成作为下一代人工触觉系统的潜在解决方案，通过组件间的短垂直互连能够实现低功耗与快速响应。与此同时，锆钛酸铅（PZT）、聚偏氟乙烯（PVDF）共聚物（P(VDF-TrFE)）等压电材料也取得了显著进展。这类材料响应快且可自供电，在与CMOS电路集成时无需外部电源即可低功耗运行，对人工触觉感知应用极具吸引力。不过，由于压电材料与传统硅基制造工艺的兼容性有限，实现单片集成人工触觉感知系统仍面临挑战。此外，传统压电传感器通常仅对动态信号响应，这从根本上限制了其应用范围。

据麦姆斯咨询报道，为解决上述问题，韩国科学技术研究院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）和汉阳大学（Hanyang University）的研究团队提出一种单片三维集成触觉感知系统，通过将压电传感器与铁电场效应晶体管（FeFET）相结合，可在传感器节点直接处理静态和动态压力信号。该系统利用多级存储状态实现传感器内模拟噪声滤波，具备高灵敏度和超低功耗特性，为下一代触觉人机界面提供了极具前景的平台。相关研究成果以“Near-Sensor Analog Computing via Monolithic 3D Piezoelectric Sensor–FeFET for Tactile Sensing System”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

图1 本研究的图文摘要

这项研究工作展示了一种单片三维集成的近传感器模拟计算系统，该系统结合了CMOS兼容的氮化铝（AlN）压电传感器与金属-铁电-金属-绝缘体-半导体（MFMIS）结构的铁电场效应晶体管（FeFET），无需外部接口电路即可直接在传感器节点处理动态和静态触觉信号。所提出的传感-计算单元（由压电传感器和MFMIS FeFET组成）可检测静态压力信号，信号保持时间超过100 s，并能以18.3 Pa⁻¹的灵敏度清晰分辨压力等级。此外，通过调控作为本地处理单元的MFMIS FeFET的CDE：CFE电容比例，可在相同机械刺激下产生三种不同输出电平，为模拟乘加（MAC）运算奠定基础。

图2 AlN压电传感器的结构与电气特性

图3 MFMIS器件的结构与电气特性

图4 基于集成压电传感器和MFMIS FeFET单元的静力检测

为了将所提出的传感计算单元发展为下一代人工触觉系统，研究人员将其扩展为基于3 × 3内核的阵列结构，并通过盲文启发图案验证了其同时捕获触觉输入和抑制噪声的能力。通过为各单元分配高斯分布的核权重，该阵列可实现模拟空间滤波，在保持触觉图案保真度的同时消除噪声——这一性能是传统均匀平均核难以实现的。此外，该系统最大功耗仅约为10 nW，比压阻-忆阻系统（通常为几微瓦）低约500倍，且与传统放大器ADC-MAC架构相比，能效高出五个数量级以上。这些结果定义了一类新型集成触觉处理器，可在传感器节点实现实时、高能效计算。

图5 单片三维触觉感知系统的示意图

图6 使用单片三维触觉传感阵列的压力刺激噪声抑制

这项研究证明了基于压电传感器和铁电场效应晶体管的近传感器模拟计算系统在下一代高能效触觉感知平台中的应用潜力。这种传感与计算的单片集成，为未来电子皮肤、机器人感知及具有嵌入式智能的神经形态接口提供了可扩展且与CMOS兼容的基础。此外，该系统产生的模拟电流输出可轻松转换为脉冲信号，有利于未来与神经形态处理器的集成，进而推动低延迟、仿生型人机界面系统的发展。

论文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.202516545

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