科学网—基于IGZO半导体纳米网格的可穿戴实时人体呼吸监测
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2024-11-15 11:10
| 系统分类: 科研笔记
Wearable Electronics 近期上线文章"Nanofibrous metal oxide semiconductor for sensory face masks"，基于IGZO半导体纳米网格的可穿戴实时人体呼吸监测。欢迎学者们关注，文章可在ScienceDirect免费下载。
研究背景
室温高灵敏度气体传感器在低功耗物联网（IoT）应用中尤为重要，例如智能传感器、可穿戴设备和移动机器人。其中，金属氧化物半导体气体传感器因其生产成本低、灵敏度高且操作简便而受到重视，适用于检测易燃、爆炸性、有毒和呼出气体。纤维化的气敏传感器因其比表面积大、灵敏度高、电学性能优异而得到广泛使用，然而，进一步减少纤维直径提升器件灵敏度及实现集成化实时监测系统仍未得到充分探索。
亮点 Highlights
文章以超薄（直径~88 nm）非晶IGZO纳米纤维为半导体材料，开发高性能场效应晶体管，用于无线、实时人体呼吸监测。通过静电纺丝法制备的IGZO纳米纤维作为器件的电荷传输层，显著增加了气体扩散的表面积，表现出迁移率为2.2 cm²/V·s，开关电流比达到10⁵。传感器能够快速记录不同呼吸模式，并通过与柔性电路集成在口罩上实现实时监测。具有紧凑尺寸的IGZO纳米纤维传感芯片（15 × 35 mm²）与内置3.7 V电池配合，支持数据可视化，展示了个性化医疗和疫情防控的应用潜力。
文章解读
本研究中，我们开发了超薄（直径~88 nm）非晶IGZO纳米纤维，用于无线、实时的人体呼吸监测。通过静电纺丝法制备IGZO纳米纤维，用于器件电荷传输层，显著增加了气体扩散的表面积。制备的器件表现出优异的场效应特性，平均迁移率为2.2 cm²/V·s，且电流开关比达到10⁵。基于IGZO纳米纤维传感器具有快速的响应、恢复时间以及稳定性，我们成功地记录了人快速、正常和深度呼吸状态下的呼吸信号。通过将传感器与柔性电路集成并安装在口罩上，实现了无线、实时的呼吸状态监测，突显了其在健康监测应用中的潜力。
图1：研究概览：基于IGZO纳米纤维传感器，与柔性电路集成，实现具有无线和实时监测功能的智能口罩。
通过微纳形貌表征，IGZO纳米纤维在基底上呈现光滑圆柱状的非晶形貌，平均直径为88 nm，远小于静电纺丝的金属盐/PVP纤维（804 nm），表明热退火显著减小了纤维体积。基于IGZO纳米纤维的FET器件表现出n型半导体特性，具备约10⁵的开关电流比和+20 V的阈值电压，迁移率为2.2 cm² V⁻¹ s⁻¹。随着输入信号增加，输出电流逐渐下降，归因于载流子的耗尽。
图2：IGZO纳米纤维的形貌和电学表征：a） IGZO纳米纤维静电纺丝示意图，b） IGZO纳米纤维的SEM图像，c） 单根IGZO纳米纤维的TEM图像及SAED图，d） 金属盐/PVP纤维的直径分布，e ）IGZO纳米纤维热处理后的直径分布，f） IGZO NF-FET器件结构示意图，插图显示器件的SEM图像，g） 典型的IGZO NF-FET传输曲线。
呼吸监测在运动和医疗诊断中至关重要。IGZO纳米纤维传感器在监测五位志愿者的呼吸频率中表现出快速响应（约0.7秒），并能准确记录正常、快速和深度呼吸的不同模式，显示出良好的应用潜力。
图3：人体呼吸状态监测：a）用于人体呼吸监测的IGZO纳米纤维传感器，b）设备处于呼吸气流时的电流变化，c）五位志愿者的呼吸监测结果，d）正常、快速和深度呼吸模式下记录的电流，e）经快速傅里叶变换处理的呼吸速率和呼吸频率。
将传感器集成到传统口罩中，开辟了个性化医疗和疫情防控的新机遇。我们将IGZO纳米纤维传感器与柔性电路结合，实现了15 × 35 mm²的紧凑尺寸，支持实时呼吸监测。该传感器与内置3.7 V电池供电的柔性电路连接，可通过智能手机和定制应用程序可视化数据。记录的电信号捕捉了志愿者的多种呼吸状态，展示了该技术在个性化医疗和疫情防控中的潜在应用。
图4：IGZO纳米纤维传感器的无线智能集成口罩：a）志愿者佩戴智能口罩的照片，b）智能口罩的集成图，包括无线柔性读出电路，c）电路的详细图，d）使用智能口罩进行实时呼吸监测，e ）相应的电流响应曲线，BUF: 缓冲器；AC/DC: 交流/直流；TIA: 跨阻放大器；LPF: 低通滤波器；ADC: 模数转换器；DSP: 数字信号处理器；BLE: 低功耗蓝牙。
读后感
本研究的主要优势在于开发的IGZO纳米纤维传感器具有高灵敏度和快速响应能力，能够实现无线、实时的呼吸监测，这在个性化医疗和疫情防控中展现出广阔的应用前景。然而，未来的研究应着重改善传感器的长期稳定性和耐用性，以适应更广泛的环境条件。此外，传感器的集成和便携性仍需进一步优化，以提高用户的佩戴舒适性和操作便捷性。
作者简介
马青，东南大学集成电路学院博士后，美国西北大学博士后。2010-2014年在北京工商大学获得高分子材料科学与工程专业学士学位，2014-2022年在中国科学院新疆理化技术研究所获得材料物理与化学专业博士学位。目前共发表JCR一区论文15篇，分别发表在Matter, Composites Science and Technology, Composites Communications等期刊上。获得优秀博士后国际化培养计划和江苏省卓越博士后，获得中国科学院大学2021年度“朱李月华优秀博士生奖学金”奖励。主持国家自然科学基金青年项目一项，作为技术骨干参与国家重点研发计划一项、江苏省科学技术厅项目一项。
汪浩洋，东南大学上岗副研究员。2018年至2023年于东京大学攻读硕士与博士学位，导师为东京大学副校长，柔性电子先驱Takao Someya教授；2018年本科毕业于上海交通大学电子科学与技术专业，专业排名第一，入选致远工科荣誉计划。主要研究方向为柔性电子与人机交互系统，主要包括用于可穿戴和机器人的柔性信号传感与检测技术、光电器件、电路系统等，以及相应的人工智能数据处理技术。已发表SCI论文十余篇，具体期刊包括Science Advances, Proceedings of the National Academy of Sciences, Advanced Functional Materials和Matter等。
王炳昊，东南大学青年首席教授，曾在美国西北大学和东京大学学习和工作近七年。2006年起于苏州大学连续攻读学士，硕士和博士学位，博士导师迟力峰院士。目前主要从事柔性晶体管集成电路和多功能传感系统研究，以第一和通讯作者在Nat. Electron.、Nat. Comm.、Sci. Adv.和PNAS等期刊发表SCI论文30余篇，撰写Wiley出版的英文专著2章节，论文被引次数5000余次，H因子35。担任学术期刊《Wearable Electronics》编委、《CHATmed》青年编委和《Electronics》主题编委。主持科技部重点研发和国家自然科学基金委等项目。获得高层次青年人才，英国皇家化学会Journal of Materials Chemistry C期刊“新锐科学家”，“江苏特聘教授”和东南大学 “紫金青年学者”等荣誉。
基金支持
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0100400）、国家自然科学基金（项目编号：22305036）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20220815）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：4006002302）的支持，安徽省教育厅自然科学研究重点项目（2022AH051377）和苏州大学博士科研基金（2021BSK008）的资助。
文献详情
Q. Ma, H. Wang, Y. Sun, J. Ahn, B. Wang.
Nanofibrous metal oxide semiconductor for sensory face masks
Wearable Electronics 1, 189-194 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.wees.2024.09.001
期刊简介
Wearable Electronics是一本全方位关注可穿戴电子领域发展的开放获取型学术期刊，期刊刊发文章涵盖可穿戴电子的基础研究和技术应用两个方面，内容涉猎广泛，刊发文章包括但不限于：与可穿戴电子相关的材料（基底材料、金属互联材料、活性层材料、封装材料等）、功能器件（传感与探测器件、通讯器件、存储器件、显示与发光器件、能量转换与存储器件、数据采集与集成电路等）以及与之相关的先进制造技术及理论研究（建模、仿真、制造、集成、封装以及与可穿戴电子产品相关的应用技术等），致力于应对可穿戴电子领域及其核心技术出现的各类全新挑战。
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