Многофункциональная работа эпидермальной электронной системы | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 18 июля, печатный экземпляр отправим 22 июля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №24 (314) июнь 2020 г.

Дата публикации: 13.06.2020

Статья просмотрена: 1 раз

Библиографическое описание:

Барзова, П. А. Многофункциональная работа эпидермальной электронной системы / П. А. Барзова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 24 (314). — С. 86-88. — URL: https://moluch.ru/archive/314/71738/ (дата обращения: 07.07.2020).



В статье дан обзор эпидермальных электронных систем, включающих в себя совокупность электрофизиологических, температурных и тензодатчиков, а также транзисторы, светодиоды, фотоприемники, радиочастотные индукторы, конденсаторы, генераторы и выпрямительные диоды. Данные системы используются для измерения электрической активности, производимой сердцем, мозгом и скелетными мышцами. Питание такого рода эпидермальных систем возможно от солнечных батарей или беспроводных катушек-приемников.

Ключевые слова: эпидермальная электроника, биосенсоры, гибкие электронные системы.

В начале 2010-х годов группой американских ученых было предложено новое научное направление «эпидермальная электроника» [1], сущность которого заключается в размещении на гибких тонких эластичных подложках, близких по своим физико-химическим и механическим свойствам к эпидермису кожи человека, элементов биосенсорных структур, а также источников питания, чувствительных элементы, передатчиков и приемников сигнала. В настоящее время актуальной задачей в этой области является разработка технологических подходов создания биосенсорных устройств на эластичных подложках.

Ключевой задачей эпидермальных электронных систем (EES) является мониторинг электрофизиологических процессов, связанных с активностью мозга, сердца и мышечной ткани. В связи со слабыми электрическими сигналами, производимыми живыми организмами, в системах подобного рода используют сенсорные электроды, которые состоят из полупроводниковых полевых транзисторов (МОП-транзисторы), играющих роль усилителей. При этом затвор МОП-транзистора изготавливают в форме «волокнистого серпантина», который соединяется с электродом для эффективного контакта с телом человека (рисунок 1A, на вставке показана та же конструкция, но с большим увеличением). Измеренный частотный отклик при различных величинах входных емкостей (CIN) показан на рисунке 1B справа и находится в количественном согласии с результатами компьютерного моделирования электронной схемы замещения (рисунок 1, A и B) [1]. Значение CIN определяется последовательной комбинацией емкостей электродов затвора и емкостью между электродом затвора и поверхностью корпуса. Полоса пропускания полученного входного каскада соответствует требованиям к высокоскоростной записи. Типичная конфигурация для этой цели включает в себя четыре усилительных канала, каждый из которых содержит МОП-транзисторы, кремниевый резистор и электрод. Один канал необходим для контроля, другие служат для непосредственного измерения сигналов.

В EES также возможно встраивать другие классы полупроводниковых приборов и датчиков, например, датчики температуры на основе сопротивления, построенные на меандровых платиновых электродах (рисунок 1C, слева), плоские тензодатчики на основе карбидов кремния (Рисунок 1С, справа и рисунок 1D), светодиоды и фотоприемники на основе AlInGaP (для возможного определения оптических характеристик кожи или биологических жидкостей) (рисунок 1D, слева и рисунок 1, от E до G) и кремниевые фотоэлементы (рисунок 1D, справа) [3]. Мощность этих солнечных элементов может достигать несколько десятков микроватт (рисунок 1 H). Разумеется, что увеличение площади солнечных элементов позволит повысить генерируемую мощность, однако в этом случае приходится проводить оптимизацию размеров и механических характеристик всего устройства. В качестве альтернативы солнечным модулям возможно беспроводное питание через наведение электродвижущей силы через катушки индуктивности, вмонтированные в систему. Пример индуктивной катушки, подключенной к светодиоду на основе тройного твердого раствора InGaN, и моделирование его радиочастотного отклика показан на рисунке 1 E [4]. Резонансная частота (~ 35 МГц) приемной катушки соответствует резонансной частоте отдельно расположенной передающей катушки, питаемой внешним источником питания. Величины напряжений и токов на выходе приемной катушки достаточны для дистанционного управления миниатюрными светодиодами, (рисунок 1 E). Такие катушки также могут быть сконфигурированы для зарядки новых классов конденсаторов или батарей с питанием EES [5].

Рис. 1. Оптические микрофотографии активного электрофизиологического (ЭП) датчика

Примеры внешнего вида различных ВЧ-компонентов, необходимых для беспроводной связи или генерирования энергии, представлены на рисунке 1, F и G. На рисунке 1F показано оптическое изображение кремниевого p-i-n-диода (слева) и его параметры на малом сигнале (рисунок 1 K), указывающие на вносимые потери для частот до 2 ГГц [6]. Примеры катушек индуктивности и конденсаторов, а также и их характеристики представлены на рисунке 1G и рисунке 1L. Комбинация пары таких устройств создают генераторы с заданными резонансными частотами, определяемым формулой Томсона (рисунок 1 G, справа). Особенность функционирования устройства заключается в том, что его отклик зависит от величины деформации — в связи с зависимостью индуктивности от геометрии [7]. Например при растяжении устройства ~ 12 % резонансная частота сдвигается на ~ 30 % (рисунок 1, I и J). Такие эффекты, которые также появляются и в беспроводных катушках питания, будут влиять на характеристики антенных структур и некоторых связанных с ними высокочастотных компонентов. Эти вопросы должны быть рассмотрены при разработке дизайна EES.

Представленные подходы позволяют создать невидимое, плотное и надежное соединение высокопроизводительных электронных систем с поверхностью кожи, и создавать приборы внелабораторного мониторинга за состоянием физиологической активности человека. Следует отметить, что многие из концепций EES полностью совместимы с современными кремниевыми интегральными микросхемами.

Литература:

  1. Kim D. H. et al. Epidermal electronics //science. — 2011. — Т. 333. — №. 6044. — С. 838–843.
  2. Takei K. et al. Nanowire active-matrix circuitry for low-voltage macroscale artificial skin //Nature materials. — 2010. — Т. 9. — №.10. — С. 821.
  3. Kim D. H. et al. Stretchable and foldable silicon integrated circuits //Science. — 2008. — Т. 320. — №. 5875. — С. 507–511.
  4. Kim R. H. et al. Waterproof AlInGaP optoelectronics on stretchable substrates with applications in biomedicine and robotics //Nature materials. — 2010. — Т. 9. — №. 11. — С. 929.
  5. Kubo M. et al. Stretchable microfluidic radiofrequency antennas //Advanced materials. — 2010. — Т. 22. — №.25. — С. 2749–2752.
  6. Matsuhisa N. et al. Printable elastic conductors by in situ formation of silver nanoparticles from silver flakes //Nature materials. — 2017. — Т. 16. — №.8. — С. 834.
  7. Lacour S. P. et al. Stretchable interconnects for elastic electronic surfaces //Proceedings of the IEEE. — 2005. — Т. 93. — №. 8. — С. 1459–1467.
  8. Sekitani T. et al. A rubberlike stretchable active matrix using elastic conductors //Science. — 2008. — Т. 321. — №. 5895. — С. 1468–1472.
  9. Ives J. R., Mirsattari S. M., Jones D. Miniaturized, on-head, invasive electrode connector integrated EEG data acquisition system //Clinical neurophysiology. — 2007. — Т. 118. — №. 7. — С. 1633–1638.
Основные термины (генерируются автоматически): EES, рисунок, CIN, система, резонансная частота, катушка индуктивности, приемная катушка.


Ключевые слова

биосенсоры, эпидермальная электроника, гибкие электронные системы

Похожие статьи

Принцип действия и конструктивные особенности самодельного...

На поисковую катушку подается короткий импульс, что вызывает вихревые токи у мишени, в свою очередь вихревые токи тормозят спадание поданного импульса в поисковой катушке. Именно сравнение длительности импульса с эталоном дает знать обнаружен объект или нет.

Резонансный метод определения частоты | Статья в журнале...

Описан резонансный метод измерения частоты, выявлены источники погрешности, рассмотрены различные типы частотомеров. Ключевые слова: частота, резонанс, частотомер, нестабильность частоты, четвертьволновый трансформатор.

Исследование резонансного режима плоских индукционных...

Важным при расчете резонансного режима является учет влияющих факторов (аксиальная неравномерность тока

При расчете индуктивности обмотки необходимо учитывать, что

При изменении частоты от 30 кГц до 40 кГц число слоев уменьшается с 20 до 14 или на 30 % при...

Управление частотой среза конверторных фильтров

Она содержит катушку индуктивности с индуктивностью L, конденсатор с емкостью C, источник тока ЭДС E, ключ S, резисторы: R1, R2, Ri, Rk.

Рисунок 1 представляет схему измерения сопротивления методом стабилизированного тока с учетом паразитных емкостей.

Расчет и моделирование высокочастотных резонансных...

В статье представлены результаты моделирования высокочастотных транзисторных резонансных инверторов при использовании разработанного ранее программного комплекса для автоматизированного расчета последовательных резонансных инверторов [1]...

Аналитический расчет индуктивности рассеяния...

Лихачев, Д. И. Аналитический расчет индуктивности рассеяния трансформаторов машин контактной сварки / Д. И. Лихачев.

В настоящее время разрабатываются машины контактной сварки c инверторными источниками питания, рабочая частота которых может составлять от...

Формирование понятия «индуктивность» в курсе физики

В качестве катушки индуктивности используется дроссельная катушка на 3600 витков.

В системе «СИ» единицей индуктивности является генри (Гн).

Используя данную установку, можно показать зависимость ЭДС самоиндукции катушки от числа витков наличия стального...

Обработка сигналов с фазовой манипуляцией способом прямого...

Катушка L2 подключена непосредственно к входу микросхемы (выводы 1 и 11). С6 и L3 представляют собой контур сдвига частоты и настраиваются на частоту; где: fг1 – частота первого гетеродина, fв – частота входа (70 МГц), fп1 – первая промежуточная частота (32 МГц).

Метод расчета активного сопротивления цилиндрического провода...

Выведена расчетная формула для активного сопротивления цилиндрического провода на произвольной частоте.

В Российской Федерации системы электроснабжения общего назначения работают на фиксированной частоте 50 Гц.

Расчет гетеродинного генератора миллиметрового диапазона на...

Резонансные частоты и эквивалентные характеристические сопротивления контуров 2 и 4

где — резонансное сопротивление «собственного» контура диода на зажимах отрицательной

Автогенератор «выбирает» ту из собственных частот колебательной системы, которая...

Похожие статьи

Принцип действия и конструктивные особенности самодельного...

На поисковую катушку подается короткий импульс, что вызывает вихревые токи у мишени, в свою очередь вихревые токи тормозят спадание поданного импульса в поисковой катушке. Именно сравнение длительности импульса с эталоном дает знать обнаружен объект или нет.

Резонансный метод определения частоты | Статья в журнале...

Описан резонансный метод измерения частоты, выявлены источники погрешности, рассмотрены различные типы частотомеров. Ключевые слова: частота, резонанс, частотомер, нестабильность частоты, четвертьволновый трансформатор.

Исследование резонансного режима плоских индукционных...

Важным при расчете резонансного режима является учет влияющих факторов (аксиальная неравномерность тока

При расчете индуктивности обмотки необходимо учитывать, что

При изменении частоты от 30 кГц до 40 кГц число слоев уменьшается с 20 до 14 или на 30 % при...

Управление частотой среза конверторных фильтров

Она содержит катушку индуктивности с индуктивностью L, конденсатор с емкостью C, источник тока ЭДС E, ключ S, резисторы: R1, R2, Ri, Rk.

Рисунок 1 представляет схему измерения сопротивления методом стабилизированного тока с учетом паразитных емкостей.

Расчет и моделирование высокочастотных резонансных...

В статье представлены результаты моделирования высокочастотных транзисторных резонансных инверторов при использовании разработанного ранее программного комплекса для автоматизированного расчета последовательных резонансных инверторов [1]...

Аналитический расчет индуктивности рассеяния...

Лихачев, Д. И. Аналитический расчет индуктивности рассеяния трансформаторов машин контактной сварки / Д. И. Лихачев.

В настоящее время разрабатываются машины контактной сварки c инверторными источниками питания, рабочая частота которых может составлять от...

Формирование понятия «индуктивность» в курсе физики

В качестве катушки индуктивности используется дроссельная катушка на 3600 витков.

В системе «СИ» единицей индуктивности является генри (Гн).

Используя данную установку, можно показать зависимость ЭДС самоиндукции катушки от числа витков наличия стального...

Обработка сигналов с фазовой манипуляцией способом прямого...

Катушка L2 подключена непосредственно к входу микросхемы (выводы 1 и 11). С6 и L3 представляют собой контур сдвига частоты и настраиваются на частоту; где: fг1 – частота первого гетеродина, fв – частота входа (70 МГц), fп1 – первая промежуточная частота (32 МГц).

Метод расчета активного сопротивления цилиндрического провода...

Выведена расчетная формула для активного сопротивления цилиндрического провода на произвольной частоте.

В Российской Федерации системы электроснабжения общего назначения работают на фиксированной частоте 50 Гц.

Расчет гетеродинного генератора миллиметрового диапазона на...

Резонансные частоты и эквивалентные характеристические сопротивления контуров 2 и 4

где — резонансное сопротивление «собственного» контура диода на зажимах отрицательной

Автогенератор «выбирает» ту из собственных частот колебательной системы, которая...

Задать вопрос