基于单片金纳米线逻辑电路的多功能智能可穿戴设备开发

背景介绍

包括智能隐形眼镜、纺织品和贴片类型在内的多功能可穿戴设备已被广泛研究用于人机界面、医疗保健系统、远程医疗、增强现实（AR）和虚拟现实（VR）。特别是具有内在可拉伸性的多功能可穿戴设备，可以最大限度地减少设备与人体之间的机械不匹配。然而，目前具有内在可拉伸性的多功能可穿戴设备面临着一些严峻的挑战。为了实现多种功能，不同组件的异构集成通常需要多种材料。此外，由于材料本身的机械失配，在各种身体变形下，不同材料之间的界面很容易被破坏，导致可穿戴设备的稳定性显著降低。由于不同材料的性能不相容，制造过程中不可避免地会出现复杂而耗时的步骤。因此，为多功能可穿戴设备的可拉伸性，坚固的界面和易于制造而开发定制材料是非常重要的。

具有多个传感器的多功能可穿戴设备可以同时监测多种信号，包括物理、化学和电生理信号，用于医疗保健、安全预警和植物护理系统。对于多个传感器测量的不同信号的分析，需要使用额外的算法或电子元件进行后信号处理。然而，针对多功能智能设备的信号监测和处理的研究却很少。专用集成电路（ASIC）或近场通信（NFC）芯片可以用于柔性设备，但它们是固体的，并且与本质上可拉伸的电子系统不兼容。基于算法的信号处理，如定制程序，可用于本质上可拉伸的电子器件，这需要大量的连接线来监测不同的信号，处理时间长，多功能器件的设计和结构复杂。

本文亮点

1. 本工作开发了多功能智能可穿戴设备，使用单片图案的金纳米线进行信号监测和处理。金体和空心纳米线表现出独特的电学性质，具有高化学稳定性和高拉伸性。

2. 单片图案化的金纳米线可用于制造坚固的接口、可编程传感器、按需加热系统和应变门控逻辑电路。可拉伸传感器对皮肤上的应变和温度变化表现出高灵敏度。

3. 金纳米线的微褶皱结构表现出负规范因子，可用于应变门控逻辑电路。

图文解析

图1 多功能智能可穿戴设备示意图。a)采用单片金纳米线和微皱结构的传感器系统和应变门控电路。b)可同时进行信号监测和处理的多功能智能可穿戴设备。

图2 金纳米线的特性。a) Ag@AuNW和AuHNW的制备示意图。b)银纳米线，Ag@AuNWs和AuHNWs的UV-Vis吸光度。c) Ag@AuNWs和AuHNWs的HR-TEM图像和EDS作图。d)相对电阻变化和e)暴露于H2O2(30%) 10 min前后银纳米线、Ag@AuNWs和AuHNWs的SEM图像。

图3 用于多功能智能可穿戴设备的单片图案金纳米线。a)制造单片图案的两种蚀刻工艺示意图。b)具有连续和鲁棒界面的单片图案的SEM图像和EDS分析。c)单片金纳米线的电流-电压(I-V)曲线。d) Ag@AuNWs, auHNW和e)不同角度单片图案的机电特性。f) Ag@AuNWs的可拉伸互连器和g)通过使用Ag@AuNWs和auHNW的不同单片图案与led集成的程控应变传感器的照片图像。

图4 使用Ag@AuNWs和auHNW的传感器和电加热器的特性。a)手腕上的集成传感器和加热器，用医用Tegaderm胶带固定。b)应变传感器的相对电阻随应变增加的变化。c)手指弯曲和d)脉搏监测时的相对电阻变化。e)温度传感器的相对电阻随温度升高的变化。f) Ag@AuNW温度传感器通过冷热刺激监测皮肤温度。g) Ag@AuNW电加热器温度随电压升高的变化。h)红外热像仪和Ag@AuNW温度传感器测得的温度变化曲线。

图5 应变门控电路Ag@AuNWs和auHNW。a) Ag@AuNW可伸缩互连器，b) AuHNW通断开关，c) AuHNW关断开关的电流-电压曲线。d)与led集成的可拉伸互连器和开/关开关的照片。e)使用Ag@AuNWs和AuHNWs的单片模式的NOR, AND, OR和NAND的四个应变门控逻辑电路。f)四个应变门控逻辑电路在不同输入状态下的电流输出信号。g)四种不同应变门控逻辑电路集成led在不同输入状态下的可视化输出信号。

图6 集信号监测与处理于一体的多功能智能可穿戴设备。a)电路图和b)多功能智能可穿戴设备照片图像。c)“A”开关接通，d)“B”开关接通时，带压力刺激的多功能智能可穿戴设备输出电流：(i)整个输出电流，(ii) 20~30秒无刺激，(iii)应变传感器(S) 30~45秒压力刺激，(iv)温度传感器(T) 50~65秒压力刺激。在e)“A”下有温度刺激的多功能智能可穿戴设备的输出电流接通，f)“B”下有温度刺激的设备的输出电流接通S和T传感器的(i)全部输出电流、(ii)无刺激、(iii)冷水接触和(iv)热水接触的剖面。

审核编辑：刘清