Инновации в гибких сенсорах и их роль в современной электронике
Гибкие сенсоры, представляющие собой электронные устройства, способные изменить форму без утраты своих функций, становятся неотъемлемой частью прогресса в сфере носимых гаджетов, робототехники и медицины. Их универсальность заключается в возможности измерения сразу нескольких физических параметров, таких как температура, давление, влажность и даже биомедицинские сигналы живого организма. В последние годы ученые всего мира уделяют особое внимание созданию биосовместимых сенсоров и материалов, способных безопасно интегрироваться с человеческим телом и исполнять роль «электронной кожи» — искусственного аналога кожных покровов с сенсорными свойствами.
Технологический скачок: мультифункциональные сенсоры нового поколения
Для интенсивного развития «электронной кожи» и носимых медицинских систем необходимы сенсоры с возможностью одновременного измерения множества параметров. До недавнего времени большинство подобных устройств могли регистрировать лишь один показатель – например, только температуру или только давление. Между тем, многозадачные прототипы часто сталкивались с рядом ограничений: высокой сложностью изготовления и недостаточной чувствительностью.
Однако коллектив ученых из ведущих российских научных организаций — МФТИ, Алферовского университета, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Сколтеха и СПбГУ — совершил революционный прорыв, предложив экологичную и простую технологию синтеза масштабируемых сенсоров. Эти приборы легко адаптируются к большим поверхностям, включая площади свыше 40 квадратных сантиметров, что открывает простор для их практического применения.
Уникальные материалы: свойства оксида цинка и нанокристаллов
Основа новых сенсоров — вертикально ориентированные нитевидные нанокристаллы оксида цинка (ZnO), выращенные прямо на кремниевых подложках. Благодаря своим выраженным пьезоэлектрическим свойствам, такие структуры способны преобразовывать механическое воздействие (например, давление) в электрический сигнал и наоборот. Для обеспечения гибкости и защиты нанокристаллы инкапсулируются в эластичную полимерную матрицу, а после отделения от кремния формируют ультратонкую гибкую пластину.
Далее полученная матрица покрывается контактными слоями на базе углеродных нанотрубок и алюминия, что позволяет устройству эффективно собирать и передавать электрические сигналы. Важно, что все применяемые материалы являются полностью биосовместимыми, что особенно ценно для интеграции сенсоров в медицинские и протезные системы.
Принцип работы: двойная чувствительность и независимые сигналы
Одной из главных особенностей разработанных сенсоров является уникальная комбинация пьезоэлектрических и терморезистивных эффектов. Сенсор различно реагирует на внешнее давление и изменение температуры: при росте давления сопротивление материала падает, емкость возрастает. При этом повышение температуры (в диапазоне 25–100°C) вызывает уменьшение обоих параметров. Разделение этих сигналов обеспечивает одновременное и независимое измерение давления и температуры, что особенно важно для применения в медицинских технологиях и робототехнике.
Преимущества и диапазон применения
Новые гибкие сенсоры демонстрируют выдающуюся чувствительность: они способны фиксировать давление до 2 МПа с чувствительностью до 4 %/кПа. Это существенное превосходство над существующими аналогами на основе других гибких полимерных подложек, таких как полиамид или поливинилиденфторид, и обеспечивает более широкий диапазон регистрации биомедицинских воздействий. Нижний порог обнаружения составляет всего 10 Па — это во много раз ниже показателей традиционных пьезорезистивных устройств и обеспечивает определение даже таких слабых сигналов, как ритм дыхания, пульсация сосудов, легкое касание.
Также сенсор способен измерять температуру в диапазоне до 100°C, что критически важно для применения в стерилизуемых медицинских устройствах, протезах, устройствах мониторинга жизненно важных функций и в процессах лабораторного культивирования клеток. Многофункциональность и простота изготовления делают этот подход востребованным для интеграции в «умную одежду», электронные протезы и даже человеко-машинные интерфейсы.
Взгляд в будущее: перспективы внедрения и коммерциализации
Реализация разработок на базе нанокристаллов оксида цинка открыла путь к созданию недорогих, удобных в масштабировании и полностью безопасных биосовместимых сенсоров нового поколения. Сотрудничество МФТИ, Алферовского университета, Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, Сколтеха и СПбГУ уже принесло результаты, позволяющие говорить о том, что переход от лабораторных испытаний к массовому промышленному производству не за горами.
Полученные сенсоры можно использовать не только в качестве компонентов «электронной кожи» для умных протезов и медицинских гаджетов, но и в искусственных роботизированных системах для расширения тактильных возможностей и интерактивного управления. В целом, эта разработка открывает огромные перспективы для профилактической медицины, реабилитации, спорта и смежных отраслей, позволяя создавать индивидуальные решения для мониторинга и поддержания здоровья.
Таким образом, появление новых гибких, биосовместимых сенсоров на основе нанокристаллов оксида цинка уже в ближайшее время способно вывести индустрию носимой и медицинской электроники на новый уровень, сделать её более доступной, безопасной и эффективной для людей во всем мире.
Источник: naked-science.ru
