基于單片金納米線邏輯電路的多功能智能可穿戴設備開發

背景介紹

包括智能隱形眼鏡、紡織品和貼片類型在內的多功能可穿戴設備已被廣泛研究用于人機界面、醫療保健系統、遠程醫療、增強現實（AR）和虛擬現實（VR）。特別是具有內在可拉伸性的多功能可穿戴設備，可以最大限度地減少設備與人體之間的機械不匹配。然而，目前具有內在可拉伸性的多功能可穿戴設備面臨著一些嚴峻的挑戰。為了實現多種功能，不同組件的異構集成通常需要多種材料。此外，由于材料本身的機械失配，在各種身體變形下，不同材料之間的界面很容易被破壞，導致可穿戴設備的穩定性顯著降低。由于不同材料的性能不相容，制造過程中不可避免地會出現復雜而耗時的步驟。因此，為多功能可穿戴設備的可拉伸性，堅固的界面和易于制造而開發定制材料是非常重要的。

具有多個傳感器的多功能可穿戴設備可以同時監測多種信號，包括物理、化學和電生理信號，用于醫療保健、安全預警和植物護理系統。對于多個傳感器測量的不同信號的分析，需要使用額外的算法或電子元件進行后信號處理。然而，針對多功能智能設備的信號監測和處理的研究卻很少。專用集成電路（ASIC）或近場通信（NFC）芯片可以用于柔性設備，但它們是固體的，并且與本質上可拉伸的電子系統不兼容?；谒惴ǖ男盘柼幚?，如定制程序，可用于本質上可拉伸的電子器件，這需要大量的連接線來監測不同的信號，處理時間長，多功能器件的設計和結構復雜。

本文亮點

1. 本工作開發了多功能智能可穿戴設備，使用單片圖案的金納米線進行信號監測和處理。金體和空心納米線表現出獨特的電學性質，具有高化學穩定性和高拉伸性。

2. 單片圖案化的金納米線可用于制造堅固的接口、可編程傳感器、按需加熱系統和應變門控邏輯電路?？衫靷鞲衅鲗ζつw上的應變和溫度變化表現出高靈敏度。

3. 金納米線的微褶皺結構表現出負規范因子，可用于應變門控邏輯電路。

圖文解析

圖1 多功能智能可穿戴設備示意圖。a)采用單片金納米線和微皺結構的傳感器系統和應變門控電路。b)可同時進行信號監測和處理的多功能智能可穿戴設備。

圖2 金納米線的特性。a) Ag@AuNW和AuHNW的制備示意圖。b)銀納米線，Ag@AuNWs和AuHNWs的UV-Vis吸光度。c) Ag@AuNWs和AuHNWs的HR-TEM圖像和EDS作圖。d)相對電阻變化和e)暴露于H2O2(30%) 10 min前后銀納米線、Ag@AuNWs和AuHNWs的SEM圖像。

圖3 用于多功能智能可穿戴設備的單片圖案金納米線。a)制造單片圖案的兩種蝕刻工藝示意圖。b)具有連續和魯棒界面的單片圖案的SEM圖像和EDS分析。c)單片金納米線的電流-電壓(I-V)曲線。d) Ag@AuNWs, auHNW和e)不同角度單片圖案的機電特性。f) Ag@AuNWs的可拉伸互連器和g)通過使用Ag@AuNWs和auHNW的不同單片圖案與led集成的程控應變傳感器的照片圖像。

圖4 使用Ag@AuNWs和auHNW的傳感器和電加熱器的特性。a)手腕上的集成傳感器和加熱器，用醫用Tegaderm膠帶固定。b)應變傳感器的相對電阻隨應變增加的變化。c)手指彎曲和d)脈搏監測時的相對電阻變化。e)溫度傳感器的相對電阻隨溫度升高的變化。f) Ag@AuNW溫度傳感器通過冷熱刺激監測皮膚溫度。g) Ag@AuNW電加熱器溫度隨電壓升高的變化。h)紅外熱像儀和Ag@AuNW溫度傳感器測得的溫度變化曲線。

圖5 應變門控電路Ag@AuNWs和auHNW。a) Ag@AuNW可伸縮互連器，b) AuHNW通斷開關，c) AuHNW關斷開關的電流-電壓曲線。d)與led集成的可拉伸互連器和開/關開關的照片。e)使用Ag@AuNWs和AuHNWs的單片模式的NOR, AND, OR和NAND的四個應變門控邏輯電路。f)四個應變門控邏輯電路在不同輸入狀態下的電流輸出信號。g)四種不同應變門控邏輯電路集成led在不同輸入狀態下的可視化輸出信號。

圖6 集信號監測與處理于一體的多功能智能可穿戴設備。a)電路圖和b)多功能智能可穿戴設備照片圖像。c)“A”開關接通，d)“B”開關接通時，帶壓力刺激的多功能智能可穿戴設備輸出電流：(i)整個輸出電流，(ii) 20~30秒無刺激，(iii)應變傳感器(S) 30~45秒壓力刺激，(iv)溫度傳感器(T) 50~65秒壓力刺激。在e)“A”下有溫度刺激的多功能智能可穿戴設備的輸出電流接通，f)“B”下有溫度刺激的設備的輸出電流接通S和T傳感器的(i)全部輸出電流、(ii)無刺激、(iii)冷水接觸和(iv)熱水接觸的剖面。

審核編輯：劉清