Ученые создали супертонкий сенсор — работает без питания, проводов и микросхем
Устройство воспринимает и передает по беспроводной сети сигналы, связанные с пульсом, выделением пота и воздействием ультрафиолета на кожу человека.
Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый тип носимого датчика, который обменивается данными по беспроводной сети и делает это без встроенных микросхем или батарей. Подробнее об устройстве рассказало издание news.mit.edu.
Сенсор сделан в форм-факторе “электронной кожи” — гибкой полупроводниковой пленки, которую можно приклеить словно скотч. Сама пленка создана из нитрида галлия, материала, который может как генерировать электрический сигнал в ответ на механическое напряжение, так и механически вибрировать в ответ на электрический импульс. Исследователи использовали двусторонние пьезоэлектрические свойства нитрида галлия, заставив его работать на прием сигнала и на его передачу.
Монокристаллические образцы нитрида галлия ученые соединили с проводящим слоем золота для усиления входящего или исходящего электрического сигнала. Устройство получилось достаточно чувствительным, чтобы вибрировать в ответ на сердцебиение человека, а также реагировать на соль в его поту. Также вибрации материала генерируют электрический сигнал, который может быть прочитан находящимся поблизости приемником. Таким образом, устройство могло передавать сенсорную информацию без использования чипа или батареи.
“Чипы требуют много энергии, но наш сенсор — доказательство того, что можно обойтись без микроэлектроники, проводов и аккумуляторов”, — говорит соавтор исследования Джихван Ким, доцент кафедры машиностроения, материаловедения и инженерии.
Группа Джихвана Кима ранее разработала технику удаленной эпитаксии, позволяющую быстро выращивать и отделять ультратонкие высококачественные полупроводники от пластин, покрытых графеном. С помощью этой техники они изготовили различные гибкие многофункциональные электронные пленки. В своем новом исследовании инженеры использовали эту же технику для отделения ультратонких монокристаллических пленок нитрида галлия.
Команда решила использовать чистую пленку из нитрида галлия в качестве сенсора и беспроводного коммуникатора поверхностных акустических волн, которые, по сути, представляют собой колебания пленок. Образцы этих волн могут указывать на частоту сердечных сокращений человека или, что еще более тонко, на присутствие определенных соединений на коже, таких как соль в поту.
Исследователи выдвинули гипотезу: датчик на основе нитрида галлия, приклеенный к коже, будет иметь собственную, “резонансную” вибрацию или частоту, которую пьезоэлектрический материал будет одновременно преобразовывать в электрический сигнал, частоту которого сможет зарегистрировать беспроводной приемник. Любое изменение состояния кожи, например учащенное сердцебиение, повлияет на механические вибрации датчика и электрический сигнал, который он автоматически передает на приемник.
Чтобы проверить свою идею, исследователи изготовили тонкую пленку из чистого высококачественного нитрида галлия и соединили ее со слоем золота для усиления электрического сигнала. Нитрид галлия и золото имеют толщину всего 250 нанометров — примерно в 100 раз тоньше, чем человеческий волос.
Они поместили новую электронную кожу на запястья и шеи добровольцев и использовали простую антенну, расположенную поблизости, для беспроводной регистрации частоты устройства без физического контакта с самим датчиком. Устройство было способно воспринимать и передавать по беспроводной связи изменения поверхностных акустических волн нитрида галлия на коже добровольцев, связанные с частотой их сердечных сокращений.
Исследователи считают, что это первый шаг к созданию бесчиповых беспроводных датчиков.
