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麻省理工制造无芯片、无线、电子“皮肤”

2022-08-22 14:50:45 MIT 阅读:
麻省理工学院的工程师设计了一种新型可穿戴传感器,无需板载芯片或电池即可进行无线通信。他们的设计今天在《科学》杂志上进行了详细介绍,为无芯片无线传感器开辟了道路。

得益于无线技术,可穿戴传感器无处不在,该技术使人的葡萄糖浓度、血压、心率和活动水平能够从传感器无缝传输到智能手机以进行进一步分析。Ds5ednc

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笨重了,下一代传感器正在采用更小、更薄、更灵活的形式。Ds5ednc

现在,麻省理工学院的工程师设计了一种新型可穿戴传感器,无需板载芯片或电池即可进行无线通信。他们的设计今天在《科学》杂志上进行了详细介绍,为无芯片无线传感器开辟了道路。Ds5ednc

Ds5ednc

该团队的传感器设计是一种电子皮肤或“e-skin”——一种像电子透明胶带一样贴合皮肤的柔性半导体薄膜。传感器的核心是超薄、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,又可以响应电脉冲产生机械振动。Ds5ednc

研究人员发现他们可以利用氮化镓的双向压电特性,并将该材料同时用于传感和无线通信。Ds5ednc

在他们的新研究中,该团队生产了纯净的单晶氮化镓样品,并将其与金导电层配对,以增强任何传入或传出的电信号。他们表明,该设备足够灵敏,可以根据人的心跳以及汗液中的盐分进行振动,并且该材料的振动会产生可以被附近的接收器读取的电信号。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。Ds5ednc

该研究的通讯作者、机械工程和材料科学与工程副教授 Jeehwan Kim 说:“芯片需要大量电力,但我们的设备可以使系统非常轻巧,而无需任何耗电的芯片。”和电子研究实验室的首席研究员。“你可以把它像绷带一样贴在身上,与手机上的无线阅读器配对,就可以无线监测你的脉搏、汗水和其他生物信号。”Ds5ednc

Kim 的合著者包括第一作者和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 的共同通讯作者 Jiyeon Han,这有助于推动当前的工作;麻省理工学院 Kim 研究小组的成员;和弗吉尼亚大学、圣路易斯华盛顿大学以及韩国多个机构的其他合作者。Ds5ednc

纯共振

Jeehwan Kim 的团队之前开发了一种称为远程外延的技术,他们已使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。利用这种技术,他们制造并探索了各种柔性、多功能的电子薄膜。Ds5ednc

在他们的新研究中,工程师们使用相同的技术剥离了氮化镓的超薄单晶薄膜,这种薄膜以其纯净、无缺陷的形式是一种高度敏感的压电材料。Ds5ednc

该团队希望使用纯氮化镓薄膜作为表面声波的传感器和无线通信器,表面声波本质上是薄膜上的振动。这些波的模式可以表明一个人的心率,或者更微妙地表明皮肤上某些化合物的存在,例如汗液中的盐分。Ds5ednc

研究人员假设,附着在皮肤上的氮化镓传感器将具有其自身固有的“共振”振动或频率,压电材料会同时将其转换为电信号,无线接收器可以记录该频率。皮肤状况的任何变化,例如心率加快,都会影响传感器的机械振动,以及它自动传输到接收器的电信号。 Ds5ednc

“如果脉搏、汗液中的化学物质,甚至皮肤受到紫外线照射有任何变化,所有这些活动都会改变氮化镓薄膜上的表面声波模式,”Yeongin Kim 指出。“而且我们胶片的灵敏度非常高,可以检测到这些变化。”Ds5ednc

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。他们以重复哑铃的形式沉积黄金——一种格子状的结构,为通常刚性的金属赋予了一定的柔韧性。他们认为是电子皮肤样本的氮化镓和金的厚度仅为 250 纳米,比人类头发的宽度薄约 100 倍。Ds5ednc

他们将新的电子皮肤放在志愿者的手腕和脖子上,并使用放在附近的简单天线无线记录设备的频率,而无需物理接触传感器本身。该设备能够感应并无线传输志愿者皮肤上氮化镓表面声波与心率相关的变化。Ds5ednc

该团队还将该设备与薄离子传感膜配对 - 一种选择性吸引目标离子的材料,在这种情况下是钠。通过这种增强功能,该设备可以感应并无线传输变化的钠含量,因为志愿者握住热垫并开始出汗。Ds5ednc

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,他们设想当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。Ds5ednc

“我们展示了钠传感,但如果你改变传感膜,你可以检测到任何目标生物标志物,如葡萄糖或与压力水平相关的皮质醇,”合著者和麻省理工学院博士后 Jun Min Suh 说。“这是一个多功能的平台。”Ds5ednc

参考链接:Engineers fabricate a chip-free, wireless electronic “skin”;Demi Xia编译Ds5ednc

责编:Demi
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