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奥地利与日本联合研发超柔性压电能量收集传感器贴片

发布时间:2021-08-27 20:01:23 所属栏目:物联网 阅读:

据麦姆斯咨询报道,对用于医疗保健、机器人和无线传感网络系统的下一代可穿戴柔性电子器件来讲,价格低廉、易于生产、由可持续的生物相容性材料制成、节能甚至可以自行供电等都非常重要。不过,只有采用机械可弯曲、可拉伸的方式,才能实现与机器、物体或人体的完美集成,通常以电子皮肤的形式实现。

奥地利乔安妮姆研究所(Joanneum Research)的研究小组与日本大阪大学合作,开发出一种可以测量各种生命体征并收集能量的超薄传感器。研究耗时两年,专注于开发这款可穿戴的能量收集传感器贴片。

集成在1微米parylene衬底上的超柔性传感器设计方案及所制造的器件照片

对许多人来说,每天测量三次血压和脉搏是不可逃避的“罪恶”。不幸的是,家庭使用的测量设备通常是笨重和不舒服的。这常常会导致患者出现无意识的应激反应,并可能出现虚假的血压值。

这种情况激发乔安妮姆研究所表面技术和光子学材料研究组成员与大阪大学的同事共同想出了更好的解决方案。他们开发出电子传感器贴片来测量健康参数。材料研究小组负责人Barbara Stadlober说:“我们的电子传感器贴片将来可以用于部分生活方式相关疾病筛查,如心血管疾病、压力因素和睡眠呼吸暂停。”

晶圆级薄膜

传感器使用一种叫做Poly VDF-TrFE(亚乙烯基二氟乙烯-三氟乙烯)的材料,作为超薄薄膜用于电子模组,重量只有几克。

论文主要作者Andreas Petritz和Esther Karner-Petritz在大阪Sekitani实验室进行了两年的研究,并解释了其工作原理:“P(VDF-TrFE)材料被沉积在两层超薄电极表面之间,电极表面所在的载体薄膜由丙烯制成,厚度为微米级。由于其被永久电极化,对机械运动非常敏感,因此表现出强烈的压电效应。我们的关键发现是,降低载体衬底厚度,灵敏度可以提高许多倍,即使是最小的压力变化如人类脉搏波传播速率变化,也有机会被测量到。”

厚度效应由论文合著者Philipp Schäffner通过模拟进行了证明。除了脉搏波传播速率,传感器贴片还可以收集有关人类血管弹性的信息,并通过脉搏波传播速率测量血压。特别重要的是:测量数据可以通过电子模块以无线方式传输到智能手机。

无线电子健康贴片:通过脉搏波相关参数获得健康数据

电子传感器贴片的总体厚度不超过0.0025毫米。因此,它能够完全舒适地贴合皮肤,成为世界上首款超柔性压电传感器。

能量自给

特别令人惊讶的是,传感器贴片还可以从生物力学运动中产生电能。但是,要有效地从关节运动中提取能量,例如膝盖关节的弯曲延伸,提取的电流必须一致。为此,研究人员还开发了由超薄有机整流二极管制成的电路,并将其放置在薄载体薄膜上,这是另一项新技术。最后,为中间能量存储提供了超薄电容器结构。

有机整流电路结构示意图

Barbara Stadlober解释说:“根据用户活动量,每天可以获得大约200毫焦耳的能量。只要能找到质量轻、超低功耗的无线数据传输电子模块,就可以每天测量三次血压。不幸的是,这在目前仍然相当罕见。但是,没有什么能阻碍我们的梦想,即无线、完全能量自给的健康贴片,让用户佩戴时感觉非常舒适。”

这项研究成果发表在Nature Communications杂志。

论文链接:

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