创新背景

得益于无线技术，可穿戴传感器无处不在，人们的葡萄糖浓度、血压、心率和活动水平可以从传感器无缝传输到智能手机，以便进一步分析。

如今，大多数无线传感器都是通过内置的蓝牙芯片进行通信的，这种芯片本身由小型电池供电。但对于下一代传感器来说，这些传统的芯片和电源可能过于笨重，而下一代传感器正在采用更小、更薄、更灵活的形式。

创新过程

麻省理工学院Jeehwan Kim的研究团队工程师们设计了一种新型的可穿戴传感器，这种传感器可以无线通信，不需要机载芯片或电池。该研究于2022年8月18日发表在《科学》杂志上，为无芯片无线传感器开辟了一条道路。

该团队的传感器设计是电子皮肤（e-skin）的一种形式——一种柔性的半导体薄膜，它像电子透明胶带一样贴合皮肤。该传感器的核心是一层超薄的高质量氮化镓薄膜。氮化镓是一种有名的具有压电性的材料，这意味着它既可以产生响应机械应变的电信号，也可以在响应电脉冲时产生机械振动。

该研究团队之前开发了一种名为“远程外延”的技术，他们利用这种技术从涂有石墨烯的晶圆上快速生长并剥离出超薄、高质量的半导体。利用这种技术，他们已经制作并探索了各种柔性、多功能的电子薄膜。

在这项新研究中，工程师们用同样的技术剥离了超薄的氮化镓单晶薄膜。这种纯净，无缺陷的氮化镓是一种高度敏感的压电材料。

研究小组使用纯氮化镓薄膜作为表面声波的传感器和无线通信器，表面声波本质上是在薄膜上振动。这些波的模式可以显示一个人的心率，或者更微妙地表明皮肤上某些化合物的存在，例如汗液中的盐。

研究人员假设，粘附在皮肤上的氮化镓传感器具有其固有的“共振”振动或频率，压电材料将同时将其转换为电子信号，无线接收器可以记录这个频率。皮肤状况的任何变化，比如心率加快，都会影响传感器的机械振动，以及它自动传输到接收器的电信号。

验证试验

为了验证他们的想法，研究人员制作了一层纯的、高质量的氮化镓薄膜，并将其与导电层金配对以增强电信号。他们认为氮化镓和黄金是电子皮肤的样本，只有250纳米厚——大约是人类头发宽度的100倍。

他们把新的电子皮肤放在志愿者的手腕和脖子上，并使用一个简单的天线，在不接触传感器本身的情况下，用无线方式记录设备的频率。该设备能够感知并无线传输志愿者皮肤上氮化镓表面声波与心率相关的变化。

研究小组还将该装置与一种薄的离子感应膜配对——这种材料可以选择性地吸引目标离子，在本例中是钠离子。有了这种增强，当志愿者抱着热垫开始出汗时，该设备可以感知并无线传输钠含量的变化。

创新关键点

在这项新研究中，研究团队生产了氮化镓的纯单晶样品，他们将其与导电层金配对，以增强所有传入或传出的电信号。他们表明，该设备足够敏感，可以根据人的心跳和汗液中的盐分而振动，而且材料的振动产生的电信号可以被附近的接收器读取。

通过这种方式，该设备能够无线传输传感信息，而不需要芯片或电池，因此设备的重量可以变得很轻。人们可以把它像绷带一样贴在身上，与手机上的无线阅读器配对，就可以无线监测脉搏、汗液和其他生物信号。这项研究为无芯片无线传感器开辟了一条道路。