奧地利與日本聯(lián)合研發(fā)超柔性壓電能量收集傳感器貼片

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，對(duì)用于醫(yī)療保健、機(jī)器人和無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的下一代可穿戴柔性電子器件來講，價(jià)格低廉、易于生產(chǎn)、由可持續(xù)的生物相容性材料制成、節(jié)能甚至可以自行供電等都非常重要。不過，只有采用機(jī)械可彎曲、可拉伸的方式，才能實(shí)現(xiàn)與機(jī)器、物體或人體的完美集成，通常以電子皮膚的形式實(shí)現(xiàn)。

奧地利喬安妮姆研究所（Joanneum Research）的研究小組與日本大阪大學(xué)合作，開發(fā)出一種可以測(cè)量各種生命體征并收集能量的超薄傳感器。研究耗時(shí)兩年，專注于開發(fā)這款可穿戴的能量收集傳感器貼片。

集成在1微米parylene襯底上的超柔性傳感器設(shè)計(jì)方案及所制造的器件照片

對(duì)許多人來說，每天測(cè)量三次血壓和脈搏是不可逃避的“罪惡”。不幸的是，家庭使用的測(cè)量設(shè)備通常是笨重和不舒服的。這常常會(huì)導(dǎo)致患者出現(xiàn)無意識(shí)的應(yīng)激反應(yīng)，并可能出現(xiàn)虛假的血壓值。

這種情況激發(fā)喬安妮姆研究所表面技術(shù)和光子學(xué)材料研究組成員與大阪大學(xué)的同事共同想出了更好的解決方案。他們開發(fā)出電子傳感器貼片來測(cè)量健康參數(shù)。材料研究小組負(fù)責(zé)人Barbara Stadlober說：“我們的電子傳感器貼片將來可以用于部分生活方式相關(guān)疾病篩查，如心血管疾病、壓力因素和睡眠呼吸暫停?！?/p>

晶圓級(jí)薄膜

傳感器使用一種叫做Poly VDF-TrFE（亞乙烯基二氟乙烯-三氟乙烯）的材料，作為超薄薄膜用于電子模組，重量只有幾克。

論文主要作者Andreas Petritz和Esther Karner-Petritz在大阪Sekitani實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了兩年的研究，并解釋了其工作原理：“P（VDF-TrFE）材料被沉積在兩層超薄電極表面之間，電極表面所在的載體薄膜由丙烯制成，厚度為微米級(jí)。由于其被永久電極化，對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)非常敏感，因此表現(xiàn)出強(qiáng)烈的壓電效應(yīng)。我們的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，降低載體襯底厚度，靈敏度可以提高許多倍，即使是最小的壓力變化如人類脈搏波傳播速率變化，也有機(jī)會(huì)被測(cè)量到?！?/p>

厚度效應(yīng)由論文合著者Philipp Sch?ffner通過模擬進(jìn)行了證明。除了脈搏波傳播速率，傳感器貼片還可以收集有關(guān)人類血管彈性的信息，并通過脈搏波傳播速率測(cè)量血壓。特別重要的是：測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過電子模塊以無線方式傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)。

無線電子健康貼片：通過脈搏波相關(guān)參數(shù)獲得健康數(shù)據(jù)

電子傳感器貼片的總體厚度不超過0.0025毫米。因此，它能夠完全舒適地貼合皮膚，成為世界上首款超柔性壓電傳感器。

能量自給

特別令人驚訝的是，傳感器貼片還可以從生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生電能。但是，要有效地從關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中提取能量，例如膝蓋關(guān)節(jié)的彎曲延伸，提取的電流必須一致。為此，研究人員還開發(fā)了由超薄有機(jī)整流二極管制成的電路，并將其放置在薄載體薄膜上，這是另一項(xiàng)新技術(shù)。最后，為中間能量存儲(chǔ)提供了超薄電容器結(jié)構(gòu)。

有機(jī)整流電路結(jié)構(gòu)示意圖

Barbara Stadlober解釋說：“根據(jù)用戶活動(dòng)量，每天可以獲得大約200毫焦耳的能量。只要能找到質(zhì)量輕、超低功耗的無線數(shù)據(jù)傳輸電子模塊，就可以每天測(cè)量三次血壓。不幸的是，這在目前仍然相當(dāng)罕見。但是，沒有什么能阻礙我們的夢(mèng)想，即無線、完全能量自給的健康貼片，讓用戶佩戴時(shí)感覺非常舒適?！?/p>

這項(xiàng)研究成果發(fā)表在Nature Communications雜志。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22663-6