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半导体所在柔性电子器件与集成系统方面取得系列进展

2021-03-09

柔性可穿戴设备在定制化人体健康监测以及便携式医疗等领域发展迅速,能够实时准确监测人体各种生理信号(心率、运动、声音和体温变化等),能及时守护人体健康,极大地提升人类的生活质量。然而,对于下一代生物医学设备的应用来说,迫切需要具有长巡航时间、高操作安全性和机械灵活性的可穿戴柔性传感器系统。在不需要外部电源的情况下,对生理信号进行准确、连续的检测是实现可穿戴电子产品优化和快速发展的关键技术。以上应用不仅需要传感器能够准确、连续地检测生理信号,而且不需要庞大的连接线或外部电源的接入。自供电集成设备能够将一些环境能量高效地转化为电能,在为实现生物信号实时检测的同时,还能够实现多余能量的存储,无需外部供能就能进行持续的人体健康信息实时检测,弥补了传统柔性可穿戴设备存在的不足,为下一代生物医学设备的发展和真正实现柔性设备的便携式长续航应用提供了新的思路。

最近,中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室王丽丽副研究员和沈国震研究员与吉林大学等单位合作,设计了一种新型MXene/BP半导体薄膜基自供电柔性感知集成系统。该自供电柔性感知集成系统是由柔性压力电子器件、激光直写微型超级电容器和柔性太阳能电池构成。其中微型超级电容器具有较高的能量存储能力,用以驱动柔性压力传感器工作,补偿光照明的间歇性。不仅能够在光照下工作,在黑暗的条件下也能够实现长时间正常运行,真正实现自供电柔性人体健康检测功能(1)。该成果近期以题为“Flexible Self-Powered Integrated Sensing System with 3D Periodic Ordered Black Phosphorus@MXene Thin-Films”发表在Adv. Mater. (20212007890, DOI: 10.1002/adma.202007890)

 

1自供电柔性传感集成系统应用于人体监测监控

此外,王丽丽副研究员、沈国震研究员还提出了将MXene通过强的氢键与聚乙烯醇(PVA)相结合形成柔性半导体薄膜,来设计高度稳定的电子皮肤。将该柔性电子器件应用于活体小鼠实验中,研究结果显示出良好的生物相容性和功能(图2)。这项工作表明,使用电子技术重现皮肤的特征为未来的软机器人和医学修复提供了新的方向。该成果以题为“Highly-stable polymer-crosslinked 2D MXene-based flexible biocompatible electronic skins for in vivo biomonitoring”发表在Nano Energy (2021, 84, 105921. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021. 105921)上。

 

2可植入柔性电子器件在活体实验中的应用

同时,该研究团队又实现了MXene材料在电子皮肤中的电极和活性层应用。通过真空过滤技术,在三维聚丙烯腈(PAN)网络的顶面和底面集成几层MXene电极,形成稳定的电子皮肤。柔性器件性能优于其他电极,具有出色的器件性能,高灵敏度为104 kpa-1,快速响应/恢复时间为30/20 ms,低检测限为1.5 pa。此外,该电极和构造的基于MXene/PAN的柔性压力传感器表现出良好的机械稳定性,并且可以经受240次弯曲循环。这种坚固、灵活的器件可以像拼图或折纸一样放大或折叠,并从2D结构转换为3D结构(图3)。该成果以题为“Controlled Assembly of MXene Nanosheets as an Electrode and Active Layer for HighPerformance Electronic Skin”发表在Adv. Funct. Mater. (2021, 2010533, DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202010533)上。

 

3可折叠柔性电子器件

    基于以上研究成果,沈国震研究员领导的研究团队应邀撰写了多篇基于柔性传感器的人机交互系统、基于柔性电子皮肤的可穿戴植入/介入医疗器件的综述论文,系统的介绍了相关领域的发展现状和未来发展趋势。部分研究成果发表在Adv. Funct. Mater. (2021, DOI://10.1002/adfm.202008936)以及Adv. Mater. Technol.2021, DOI:// 10.1002/admt.202100107  )等期刊上。



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