Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами из российских вузов разработали гибкие сенсоры, способные одновременно измерять давление и температуру. Эти биосовместимые сенсоры открывают новые возможности для разработки носимых трекеров здоровья, «умных» протезов и гибкой электроники. Исследование опубликовано в журнале Materials Science in Semiconductor Processing. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 24-12-00225).
Гибкие сенсоры — электронные устройства, которые могут деформироваться без потери функциональности. Они измеряют давление, температуру, влажность и другие физические показатели. Чаще всего их применяют в носимых гаджетах, робототехнике и здравоохранении. Особое внимание уделяется разработке биосовместимых сенсоров, которые перспективны для персонализированной медицины, и «электронной кожи» — гибкого, тонкого электронного материала, имитирующего тактильные и сенсорные функции кожи.
Современные гибкие сенсоры по большей части измеряют только один физический параметр, например или давление или температуру. Мультифункциональные решения, как правило, сложны в изготовлении, а у некоторых из них низкая чувствительность. В новом исследовании физики предложили экологичный и простой синтез создания гибких многофункциональных сенсоров, масштабируемых до площади 40 квадратных сантиметров.
Коллектив ученых из МФТИ, Алферовского университета, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Сколтеха и СПбГУ создал несколько прототипов. Главный элемент такого сенсора — вертикальные нитевидные нанокристаллы оксида цинка (ZnO), выращенные на кремниевых подложках. Эти кристаллы обладают пьезоэлектрическими свойствами. Исследователи инкапсулировали их в защитный слой полимерной матрицы, затем отделили от кремния, получив гибкую подложку. Чтобы превратить ее в полноценный сенсор, физики нанесли контакты из углеродных нанотрубок и алюминия.
Рисунок. Образец сенсора и его характеристики. Схема протокола изготовления образца: (a) протравленный слой оксида кремния (SiO2) на подложке кремния (Si); (b) гидротермальный синтез вертикального массива кристаллических нанокристаллов ZnO; (c) инкапсуляция массива кристаллов ZnO в полимерную матрицу; (d) нанесение контактов: углеродных нанотрубок (УНТ, верхний контакт) и слоя алюминия (Al) на обратной стороне подложки (нижний контакт); (e) изображение отверстий в слое SiO2 со сканирующего электронного микроскопа (плоский вид); (f) изображение нанокристаллов ZnO на поверхности подложки со сканирующего электронного микроскопа (поперечное сечение). Источник: журнал Materials Science in Semiconductor Processing
Особенность полученных сенсоров заключается в новой комбинации полностью биосовместимых материалов, идеально подходящих для создания электронной кожи и биопротезов. Устройства реагируют на изменение давления и температуры по-разному: при изменении давления сопротивление падает, а емкость растет. При нагреве (25–100 °C) оба параметра уменьшаются. Это четкое различие в отклике позволяет считывать две характеристики единовременно.
«Мы разработали оригинальные подходы к анализу электрических сигналов, чтобы независимо получать отклик гибкого сенсора на изменение температуры и давления в довольно широком диапазоне. Кроме того, его синтез прост в производстве и легко масштабируется, что дает ему преимущество перед конкурентами»,— рассказал Валерий Кондратьев, старший научный сотрудник лаборатории функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Новые приборы могут измерять давление до 2 МПа и чувствительностью до 4 %/кПа. Эти характеристики в 2–4 раза выше, чем у аналогов на основе ZnO/PI (оксид цинка на полиамиде) или ZnO/PVDF (оксид цинка на поливинилиденфториде). Нижний предел обнаружения равен 10 Па, что в 10 раз ниже типичных значений для традиционных пьезорезистивных сенсоров. Такой диапазон позволяет охватить широкий спектр биологических нагрузок — от легкого касания, дыхания или пульса (10 Па) до артериального давления (13–17 кПа) или сильного хватания. Это особенно важно для «электронной кожи», протезов и имплантируемых сенсоров.
Исследователи показали, что устройство измеряет температуру до 100 °C. Эта возможность полезна для стерилизуемых медицинских устройств, мониторинга в экстремальных биологических условиях, например в биореакторах для культивирования клеток. В совокупности эти параметры являются прорывными для гибкой сенсорики.
Результаты исследования — существенный шаг в сторону развития гибкой и биосовместимой электроники. Полученные многофункциональные сенсоры на основе нанопроволок ZnO расширяют горизонты для создания носимых устройств мониторинга здоровья, «электронной кожи» для протезов и роботов. Простота производства позволит в ближайшее время перейти к коммерческому использованию.
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ — это хаб инновационных исследований мирового уровня, где наука превращается в технологии и решения для бизнеса и общества. Центр основан в 2016 году и объединяет 10 лабораторий, ориентированных на опережающие исследования с применением в промышленности и высокотехнологичных отраслях, включая энергетику, нефтегазохимическую сферу, телекоммуникации, IT, медицину и другие индустрии.
