2022-08-21
 
工程师制造无芯片无线电子“皮肤”
2022年08月21日  

由于无线技术,可穿戴传感器无处不在,使人的血糖浓度、血压、心率和活动水平能够从传感器无缝传输到智能手机进行进一步分析。

如今,大多数无线传感器通过嵌入式蓝牙芯片进行通信,这些芯片本身由小型电池供电。但是这些传统的芯片和电源对于下一代传感器来说可能太大了,因为下一代的传感器正在采用更小、更薄、更灵活的形式。

现在,麻省理工学院的工程师们设计了一种新型的可穿戴传感器,这种传感器无需车载芯片或电池即可进行无线通信。他们的设计在《科学》杂志上详细介绍,为无芯片无线传感器开辟了一条道路。

该团队的传感器设计是一种电子皮肤,或“电子皮肤”鈥攁 柔软的半导体薄膜,与皮肤贴合,如电子透明胶带。传感器的核心是一层超薄、高质量的氮化镓薄膜,这种材料以其压电特性而闻名,这意味着它既可以响应机械应变产生电信号,也可以响应电脉冲产生机械振动。

研究人员发现,他们可以利用氮化镓的双向压电特性,同时将该材料用于传感和无线通信。

在他们的新研究中,研究小组制作了纯氮化镓单晶样品,并将其与金导电层配对,以增强任何传入或传出的电信号。他们证明,该装置足够灵敏,能够响应人的心跳和汗液中的盐分而振动,材料的振动产生的电信号可以被附近的接收器读取。通过这种方式,该设备能够无线传输传感信息,而无需芯片或电池。

“芯片需要很大的功率,但我们的设备可以使系统非常轻,而不需要任何耗电芯片,”该研究的通讯作者、机械工程和材料科学与工程副教授、电子研究实验室首席研究员Jeehwan Kim说。

“你可以把它像绷带一样绑在身上,再配上手机上的无线阅读器,你可以无线监测脉搏、汗液和其他生物信号。”

Kim的合著者包括第一作者、前麻省理工学院博士后Yeongin Kim,他现在是辛辛那提大学的助理教授;韩国化妆品公司AMOREPACIFIC的联合通讯作者Jiyeon Han帮助激励了当前的工作;麻省理工学院金姆研究小组成员;以及弗吉尼亚大学、圣路易斯华盛顿大学和韩国多个机构的其他合作者。

纯共振

Jeehwan Kim的团队先前开发了一种称为远程外延的技术,他们利用该技术从涂有石墨烯的晶片上快速生长和剥离超薄、高质量的半导体。利用这项技术,他们制造并探索了各种灵活、多功能的电子薄膜。

在他们的新研究中,工程师们使用同样的技术剥离了氮化镓的超薄单晶膜,这种纯无缺陷的氮化镓是一种高度敏感的压电材料。

研究小组希望使用纯氮化镓薄膜作为表面声波的传感器和无线通讯器,表面声波本质上是薄膜上的振动。这些波的模式可以指示一个人的心率,或者更微妙地指示皮肤上某些化合物的存在,例如汗液中的盐。

研究人员假设,附着在皮肤上的基于氮化镓的传感器将具有其固有的“共振”振动或频率,压电材料将同时转换为电信号,无线接收器可以记录该频率。皮肤状况的任何变化,如心率加速,都会影响传感器的机械振动,以及传感器自动传输给接收器的电信号。

“如果脉搏有任何变化,或汗液中有化学物质,甚至皮肤受到紫外线照射,所有这些活动都会改变氮化镓膜上的表面声波模式,”Yeongin Kim指出。“我们的胶片灵敏度非常高,可以检测到这些变化。”

波传输

为了验证他们的想法,研究人员制作了一层纯优质氮化镓薄膜,并将其与一层金配对以增强电信号。他们以重复哑铃的方式存放黄金鈥攁 点阵状结构,赋予通常刚性金属一定的灵活性。氮化镓和金,他们认为是电子皮肤的样本,只有250纳米厚鈥攁大约是人类头发宽度的100倍。

他们将新的电子皮肤放在志愿者的手腕和脖子上,并使用附近的一个简单天线,在不接触传感器本身的情况下无线记录设备的频率。该装置能够感应并无线传输志愿者皮肤上氮化镓表面声波的变化,这些变化与他们的心率有关。

该团队还将该装置与一个薄离子感应膜配对鈥攁 选择性吸引目标离子的材料,在这种情况下,是钠。通过这种增强,当志愿者拿在加热垫上开始出汗时,该设备可以感应并无线传输钠含量的变化。

研究人员将他们的结果视为迈向无芯片无线传感器的第一步,他们设想目前的设备可以与其他选择性膜配对,以监测其他重要的生物标志物。

“我们展示了钠感应,但如果你改变感应膜,你可以检测到任何与压力水平相关的目标生物标志物,如葡萄糖或皮质醇,”合著者、麻省理工学院博士后苏俊民说。“这是一个多功能的平台。”

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