工程师们制造了一种无芯片的无线电子皮肤

过程传感器洞察

• 可穿戴传感器的体积越来越小，这就需要更灵活的模型。电子皮肤就像胶带或创可贴一样贴合皮肤，为了保持新一代可穿戴传感器的“皮肤”特性，它需要无芯片。研究人员发现，使用氮化镓可以帮助连接传感和无线通信，同时仍然能够感知来自人的心跳或汗水的信息。
• 研究人员开发了一种称为远程外延的方法，使他们能够创建和研究多个电子薄膜。这项技术的灵敏度足够高，它仍然能够捕捉到某人身体的变化。通过在志愿者的脖子和手腕上进行测试，研究人员相信他们已经向无芯片可穿戴传感器迈出了第一步。

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可穿戴传感器无处不在，这要归功于无线技术，它可以将人体的葡萄糖浓度、血压、心率和活动水平从传感器无缝传输到智能手机，以便进行进一步分析。

如今，大多数无线传感器都是通过嵌入式蓝牙芯片进行通信的，这些芯片由小电池供电。但是，对于下一代无芯片传感器来说，这些传统芯片和电源可能太笨重了，因为下一代无芯片传感器正在采用更小、更薄、更灵活的形式。

麻省理工学院的工程师们设计出了一种新型的可穿戴传感器，可以在不需要内置芯片或电池的情况下进行无线通信。他们的设计细节发表在今天的《科学》杂志上，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，或称“电子皮肤”——一种柔韧的半导体薄膜，能像电子透明胶带一样贴合皮肤。传感器的核心是一层超薄的高质量氮化镓薄膜，这种材料以其压电特性而闻名，这意味着它既可以在机械应变时产生电信号，也可以在电脉冲时产生机械振动。

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

在一项新的研究中，该团队制作了纯单晶氮化镓样品，并与一层金导电层配对，以增强任何传入或传出的电信号。他们表明，这种设备足够敏感，可以对人的心跳和汗液中的盐做出反应，这种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，而不需要芯片或电池。

“芯片需要大量的电力，但我们的设备可以使一个系统非常轻，而不需要任何耗电的芯片，”该研究的通讯作者Jeehwan Kim说，他是机械工程和材料科学与工程的副教授，也是电子研究实验室的首席研究员。“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，就可以无线监测你的脉搏、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;韩国化妆品公司爱茉莉太平洋(AMOREPACIFIC)的联合通讯作者Jiyeon Han帮助推动了目前的工作;麻省理工学院金研究小组成员;以及弗吉尼亚大学、圣路易斯华盛顿大学以及韩国多个机构的其他合作者。

纯粹的共振

Jeehwan Kim的团队之前开发了一种叫做远程外延他们利用该技术从涂有石墨烯的晶圆上快速生长和剥离超薄、高质量的半导体。利用这种技术，他们已经制备和探索了各种柔性、多功能电子薄膜。

在他们的新研究中，工程师们使用同样的技术剥开超薄单晶氮化镓薄膜，纯的、无缺陷的氮化镓是一种高灵敏度的压电材料。

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信器，表面声波本质上是通过薄膜的振动。这些波的模式可以显示一个人的心率，甚至更微妙地显示皮肤上某些化合物的存在，如汗液中的盐。

研究人员假设，附着在皮肤上的氮化镓传感器将具有其固有的“共振”振动或频率，压电材料将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，比如心跳加速，都会影响传感器的机械振动，以及自动传输到接收器的电信号。

“如果脉搏有任何变化，或者汗液中的化学物质，甚至皮肤暴露在紫外线下，所有这些活动都可以改变氮化镓薄膜表面声波的模式，”金英英(Yeongin Kim)说。“我们的胶片灵敏度很高，可以检测到这些变化。”

波传播

为了验证他们的想法，研究人员制作了一层纯净的高质量氮化镓薄膜，并将其与一层黄金搭配以增强电信号。他们以重复哑铃的模式沉积黄金——这种晶格状的结构赋予了通常刚性的金属一定的灵活性。氮化镓和金，他们认为是电子皮肤的样本，只有250纳米厚，大约是人类头发宽度的1 / 100。

他们将新的电子皮肤放在志愿者的手腕和脖子上，并使用一个简单的天线，在不接触传感器本身的情况下，无线记录设备的频率。该设备能够感知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。

该团队还将该设备与一层薄薄的离子传感膜配对，这种材料可以选择性地吸引目标离子，在这种情况下，就是钠离子。有了这种增强，当志愿者拿着发热垫开始出汗时，该设备可以感知并无线传输钠含量的变化。

研究人员认为他们的结果是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，比如葡萄糖，或与压力水平相关的皮质醇，”合著者、麻省理工学院博士后Jun Min Suh说。“这是一个非常多功能的平台。”

-由CFE媒体和技术副主编摩根·格林编辑，mgreen@cfemedia.com．

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