科學(xué)家利用石墨烯發(fā)明最薄傳感器
2017-02-06 來源:DeepTech深科技
不久前,在舊金山國際電子元件會議(IEDM)上展出的石墨烯“紋身”是世界上最薄的表皮電子設(shè)備。像紋身一樣貼附在皮膚表面的石墨烯傳感器可以測量來自心臟、肌肉和大腦的電信號,以及皮膚的溫度和濕度。這種新型傳感器的測量精度與體積龐大的傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備相同,甚至更高。
德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的傳感器開發(fā)人員希望該產(chǎn)品可用于化妝品市場,并希望超薄傳感器可以代替現(xiàn)有的醫(yī)療檢測設(shè)備,為用戶提供更為舒適的佩戴體驗(yàn)。
目前,如果醫(yī)生想通過監(jiān)測心率來診斷心臟疾病,患者需要佩戴體積較大的心電圖監(jiān)測設(shè)備(EKG)24小時。研究人員希望在保持甚至提高測量精度的條件下開發(fā)出體積更小、不引人注目的監(jiān)控設(shè)備。德吉(Deji Akinwande)是二維材料領(lǐng)域的電氣工程師,他正在與表皮電子學(xué)專家魯南姝教授合作開展該項目。
材料科學(xué)家多年來都在宣揚(yáng)石墨烯優(yōu)越的電學(xué)和機(jī)械性能。此外,這種單原子厚度的二維材料還有一個重要特性:透明性。當(dāng)它貼附在皮膚上時,它還會順著皮膚表面的高低起伏發(fā)生形變。德吉說,石墨烯材料的透明性和柔軟性使得當(dāng)其貼附在皮膚表面時,我們幾乎感覺不到它的存在。
研究人員首先在銅基板上生長出單層石墨烯,然后覆蓋一層有彈性的聚合物材料,并蝕刻掉銅。接下來,將聚合物-石墨烯片放置在臨時紋身紙上后,研究人員通過一定的方法將石墨烯片刻蝕成具有彈性的螺旋形電極。這樣,世界上最薄的醫(yī)療設(shè)備就可以像臨時紋身那樣貼到皮膚上了。
在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,研究人員使用石墨烯紋身進(jìn)行了5種測量,并將得到的數(shù)據(jù)與常規(guī)傳感器的結(jié)果進(jìn)行比較。
石墨烯電極可以讀取下皮組織中電活動變化引起的電阻變化。佩戴在胸部上時,石墨烯傳感器可以檢測到傳統(tǒng)心電圖設(shè)備不可見的微弱波動。此外,應(yīng)用于腦電圖(EEG)和肌電圖(EMG,用于記錄肌肉的電信號,可廣泛應(yīng)用于下一代義肢)的傳感器精度也十分高。德吉介紹到,石墨烯傳感器還可以監(jiān)測皮膚溫度和濕度的變化,許多化妝品公司對此十分感興趣。
石墨烯與皮膚的高度貼合性是其高精度的原因之一。常規(guī)醫(yī)療檢測設(shè)備使用的大體積剛性電極與皮膚之間存在空氣間隙,大大降低了這些儀器的信號精度。一些新型傳感器只有幾個微米厚度,與皮膚的貼合性也大大提高,但因?yàn)樗鼈內(nèi)允褂脭?shù)百納米厚的金電極,在皮膚拉伸和收縮時電極可能與皮膚失去接觸。
相比之下,德州研究人員開發(fā)的傳感器中石墨烯電極厚度僅有0.3納米。
德吉說,接下來他們將為石墨烯紋身添加信號傳輸系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和手機(jī)或計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

目前,如果醫(yī)生想通過監(jiān)測心率來診斷心臟疾病,患者需要佩戴體積較大的心電圖監(jiān)測設(shè)備(EKG)24小時。研究人員希望在保持甚至提高測量精度的條件下開發(fā)出體積更小、不引人注目的監(jiān)控設(shè)備。德吉(Deji Akinwande)是二維材料領(lǐng)域的電氣工程師,他正在與表皮電子學(xué)專家魯南姝教授合作開展該項目。
材料科學(xué)家多年來都在宣揚(yáng)石墨烯優(yōu)越的電學(xué)和機(jī)械性能。此外,這種單原子厚度的二維材料還有一個重要特性:透明性。當(dāng)它貼附在皮膚上時,它還會順著皮膚表面的高低起伏發(fā)生形變。德吉說,石墨烯材料的透明性和柔軟性使得當(dāng)其貼附在皮膚表面時,我們幾乎感覺不到它的存在。
研究人員首先在銅基板上生長出單層石墨烯,然后覆蓋一層有彈性的聚合物材料,并蝕刻掉銅。接下來,將聚合物-石墨烯片放置在臨時紋身紙上后,研究人員通過一定的方法將石墨烯片刻蝕成具有彈性的螺旋形電極。這樣,世界上最薄的醫(yī)療設(shè)備就可以像臨時紋身那樣貼到皮膚上了。
在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,研究人員使用石墨烯紋身進(jìn)行了5種測量,并將得到的數(shù)據(jù)與常規(guī)傳感器的結(jié)果進(jìn)行比較。
石墨烯電極可以讀取下皮組織中電活動變化引起的電阻變化。佩戴在胸部上時,石墨烯傳感器可以檢測到傳統(tǒng)心電圖設(shè)備不可見的微弱波動。此外,應(yīng)用于腦電圖(EEG)和肌電圖(EMG,用于記錄肌肉的電信號,可廣泛應(yīng)用于下一代義肢)的傳感器精度也十分高。德吉介紹到,石墨烯傳感器還可以監(jiān)測皮膚溫度和濕度的變化,許多化妝品公司對此十分感興趣。
石墨烯與皮膚的高度貼合性是其高精度的原因之一。常規(guī)醫(yī)療檢測設(shè)備使用的大體積剛性電極與皮膚之間存在空氣間隙,大大降低了這些儀器的信號精度。一些新型傳感器只有幾個微米厚度,與皮膚的貼合性也大大提高,但因?yàn)樗鼈內(nèi)允褂脭?shù)百納米厚的金電極,在皮膚拉伸和收縮時電極可能與皮膚失去接觸。
相比之下,德州研究人員開發(fā)的傳感器中石墨烯電極厚度僅有0.3納米。
德吉說,接下來他們將為石墨烯紋身添加信號傳輸系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和手機(jī)或計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
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