基于單片金納米線邏輯電路的多功能智能可穿戴設(shè)備開發(fā)

背景介紹

包括智能隱形眼鏡、紡織品和貼片類型在內(nèi)的多功能可穿戴設(shè)備已被廣泛研究用于人機(jī)界面、醫(yī)療保健系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）。特別是具有內(nèi)在可拉伸性的多功能可穿戴設(shè)備，可以最大限度地減少設(shè)備與人體之間的機(jī)械不匹配。然而，目前具有內(nèi)在可拉伸性的多功能可穿戴設(shè)備面臨著一些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)多種功能，不同組件的異構(gòu)集成通常需要多種材料。此外，由于材料本身的機(jī)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(dǎo)致可穿戴設(shè)備的穩(wěn)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(huì)出現(xiàn)復(fù)雜而耗時(shí)的步驟。因此，為多功能可穿戴設(shè)備的可拉伸性，堅(jiān)固的界面和易于制造而開發(fā)定制材料是非常重要的。

具有多個(gè)傳感器的多功能可穿戴設(shè)備可以同時(shí)監(jiān)測多種信號(hào)，包括物理、化學(xué)和電生理信號(hào)，用于醫(yī)療保健、安全預(yù)警和植物護(hù)理系統(tǒng)。對于多個(gè)傳感器測量的不同信號(hào)的分析，需要使用額外的算法或電子元件進(jìn)行后信號(hào)處理。然而，針對多功能智能設(shè)備的信號(hào)監(jiān)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(shè)備，但它們是固體的，并且與本質(zhì)上可拉伸的電子系統(tǒng)不兼容。基于算法的信號(hào)處理，如定制程序，可用于本質(zhì)上可拉伸的電子器件，這需要大量的連接線來監(jiān)測不同的信號(hào)，處理時(shí)間長，多功能器件的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作開發(fā)了多功能智能可穿戴設(shè)備，使用單片圖案的金納米線進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測和處理。金體和空心納米線表現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高拉伸性。

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

3. 金納米線的微褶皺結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出負(fù)規(guī)范因子，可用于應(yīng)變門控邏輯電路。

圖文解析

圖1 多功能智能可穿戴設(shè)備示意圖。a)采用單片金納米線和微皺結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)和應(yīng)變門控電路。b)可同時(shí)進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測和處理的多功能智能可穿戴設(shè)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(shè)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(xù)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(jī)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(yīng)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(yī)用Tegaderm膠帶固定。b)應(yīng)變傳感器的相對電阻隨應(yīng)變增加的變化。c)手指彎曲和d)脈搏監(jiān)測時(shí)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(jiān)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(yīng)變門控電路Ag@AuNWs和auHNW。a) Ag@AuNW可伸縮互連器，b) AuHNW通斷開關(guān)，c) AuHNW關(guān)斷開關(guān)的電流-電壓曲線。d)與led集成的可拉伸互連器和開/關(guān)開關(guān)的照片。e)使用Ag@AuNWs和AuHNWs的單片模式的NOR, AND, OR和NAND的四個(gè)應(yīng)變門控邏輯電路。f)四個(gè)應(yīng)變門控邏輯電路在不同輸入狀態(tài)下的電流輸出信號(hào)。g)四種不同應(yīng)變門控邏輯電路集成led在不同輸入狀態(tài)下的可視化輸出信號(hào)。

圖6 集信號(hào)監(jiān)測與處理于一體的多功能智能可穿戴設(shè)備。a)電路圖和b)多功能智能可穿戴設(shè)備照片圖像。c)“A”開關(guān)接通，d)“B”開關(guān)接通時(shí)，帶壓力刺激的多功能智能可穿戴設(shè)備輸出電流：(i)整個(gè)輸出電流，(ii) 20~30秒無刺激，(iii)應(yīng)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(shè)備的輸出電流接通，f)“B”下有溫度刺激的設(shè)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