工程师使用GaN制造无线电子“皮肤”

麻省理工学院的科学家开发了一种传感器，可以无线传输与脉搏、汗水和紫外线照射有关的信号

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。他们的设计在今天的《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。

正如《科学》杂志所描述的，该团队的传感器设计是一种电子皮肤——一种柔性的半导体薄膜，与皮肤贴合，就像电子透明胶带。传感器的核心是一层超薄、高质量的GaN薄膜，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GaN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，研究小组制作了纯的GaN单晶样品，并将其与导电的金层配对，以增强任何传入或传出的电信号。他们表明，该器件足够灵敏，能够响应人的心跳和汗液中的盐分而振动，并且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，该器件能够无线传输传感信息，而不需要芯片或电池。

“芯片需要大量功率，但我们的器件可以使系统非常轻，而不需要任何耗电的芯片，”该研究的通讯作者、机械工程和材料科学与工程副教授、电子研究实验室的首席研究员Jeehwan Kim说。

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

Kim的合著者包括第一作者、前麻省理工学院博士后，现在辛辛那提大学的助理教授Yeongin Kim；帮助推动了当前的工作的韩国化妆品公司AMOREPACIFIC的共同通讯作者Jiyeon Han；麻省理工学院Kim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。

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圆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柔性、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GaN的超薄单晶膜，这种纯无缺陷的GaN是一种高度敏感的压电材料。

该团队希望使用纯GaN薄膜作为传感器和表面声波的无线通讯器，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GaN基传感器会有其固有的“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其频率。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到接收器的电信号。

“如果脉搏有任何变化，或汗液中的化学物质，甚至皮肤暴露在紫外线下，所有这些活动都会改变氮化镓膜上的表面声波模式，”Yeongin Kim指出。“我们的薄膜灵敏度非常高，可以检测到这些变化。”

为了验证他们的想法，研究人员制作了一层纯高质量的GaN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了金——一种格子状的结构，赋予了通常坚硬的金属一定的灵活性。

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器件的频率。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，该膜是一种选择性地吸引目标离子的材料，在本例中是钠。通过这种增强，当志愿者拿着热垫开始出汗时，该器件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，目前的器件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应激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Jun Min Suh说。“这是一个多功能的平台。”

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