無晶片、免電池 無線「電子皮膚」貼身監測生理訊號

作者 : Jennifer Chu,MIT

美國MIT工程師設計了一種新型穿戴式感測器,無需板載晶片或電池即可進行無線通訊,可望為無晶片無線感測器開路...

得益於無線技術,穿戴式感測器無處不在,並得以讓人們的葡萄糖濃度、血壓、心率和活動量能夠從感測器無縫傳輸到智慧型手機以進行進一步分析。

如今,大多數無線感測器透過嵌入式藍牙晶片進行通訊,這些晶片本身由小型電池供電。但是這些傳統的晶片和電源對於下一代感測器來說可能太笨重了,下一代感測器正在採用更小、更薄、更靈活的形式。

現在,美國麻省理工學院(MIT)的工程師設計了一種新型穿戴式感測器,無需板載晶片或電池即可進行無線通訊。這項設計刊登在近期的《科學》(Science)期刊上,可望為無晶片無線感測器開路。

該研究團隊的感測器設計是一種電子皮膚(e-skin)——一種像電子透明膠帶一樣貼合皮膚的軟性半導體薄膜。感測器的核心是超薄、高品質的氮化鎵(GaN)薄膜,這種材料以其壓電特性而聞名,這意味著它既可以響應機械應變產生電訊號,又可以響應電脈衝產生機械振動。

研究人員發現他們可以利用氮化鎵的雙向壓電特性,並將該材料同時用於感測和無線通訊。

在這項新研究中,研究團隊生產了純淨的單晶氮化鎵樣本,並將其與金導電層配對,以增強任何傳入或傳出的電訊號。研究人員表示,該元件足夠靈敏,可以根據人的心跳以及汗液中的鹽份產生振動,而且這一振動還會產生可被附近接收器讀取的電訊號。透過這種方式,該元件能夠以無線方式傳輸感測資訊,而無需晶片或電池。

該研究的作者、同時也是MIT機械工程和材料科學與工程副教授 Jeehwan Kim 說:「晶片需要大量電力,但我們的元件可以使系統非常輕巧,而無需任何耗電的晶片。你可以把它像繃帶一樣貼在身上,只要與手機上的無線讀取器配對,就可以無線監測你的脈搏、汗水和其他生物訊號。」Jeehwan Kim 同時也是電子研究實驗室(Research Laboratory of Electronics)的首席研究員。

純共振

Jeehwan Kim的團隊之前曾經開發了一種稱為遠端外延(remote epitaxy)的技術,他們已使用該技術從塗有石墨烯的晶片上快速生長和剝離超薄、高品質的半導體。利用這種技術,他們製造並探索了各種軟性、多功能的電子薄膜。

在此研究中,工程師們使用相同的技術剝離了氮化鎵的超薄單晶薄膜,這種純淨、無缺陷形式的薄膜正是一種高度敏感的壓電材料。

該研究團隊希望使用純氮化鎵薄膜作為表面聲波(SAW)的感測器和無線通訊器,該SAW本質上是薄膜上的振動。這些波的模式可以顯示一個人的心率,或者更微妙地展現皮膚上某些化合物的存在,例如汗液中的鹽份。

研究人員假設,附著在皮膚上的氮化鎵感測器將具有其自身固有的「共振」振動或頻率,壓電材料會同時將其轉換為電訊號,無線接收器可以記錄該頻率。皮膚狀況的任何變化,例如心率加快,都會影響感測器的機械振動,以及它自動傳輸到接收器的電訊號。

「如果脈搏、汗液中的化學物質,甚至皮膚受到紫外線照射有任何變化,所有這些活動都會改變氮化鎵薄膜上的表面聲波模式,」Yeongin Kim 指出,「而且我們膠片的靈敏度非常高,可以檢測到這些變化。」

波傳輸

為了驗證他們的想法,研究人員製作了一層純優質氮化鎵薄膜,並將其與一層金配對以增強電訊號。他們以重複啞鈴的形式沉積黃金——一種格子狀的結構,為通常剛性的金屬賦予一定的柔韌性。他們認為是電子皮膚樣本的氮化鎵和金的厚度僅為 250奈米,比人類頭髮的寬度更薄約 100 倍。

他們將新的電子皮膚放在受測者的手腕和脖子上,並使用放在附近的簡單天線無線記錄設備的頻率,而無需實體接觸感測器本身。該元件能夠感測並無線傳輸受測者皮膚上氮化鎵表面聲波與心率相關的變化。

該團隊並將該元件與薄離子感測薄膜配對——一種選擇性吸引目標離子的材料,在這種情況下是鈉。透過這種增強功能,該裝置可以感測並無線傳輸變化的鈉含量,因為受測者握住熱墊並開始出汗。

研究人員將其結果視為邁向無晶片無線感測器的第一步,他們設想當前的裝置能與其他選擇性膜配對,以監測其他重要的生物標誌物。

「我們展示了鈉感測,但如果你改變感測薄膜,還可以檢測到任何目標生物標誌徵象,如葡萄糖或與壓力級等相關皮質醇,這可說是一個多功能的平台。」MIT博士後研究員 Jun Min Suh 說。

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論