清華新聞網(wǎng)3月7日電 近日，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種可貼附在皮膚上的薄膜導(dǎo)線(xiàn)，這是研究團(tuán)隊(duì)在電子皮膚應(yīng)用研究上取得的最新重要進(jìn)展。該薄膜導(dǎo)線(xiàn)在保證超薄特性的同時(shí)兼顧了拉伸狀態(tài)下穩(wěn)定的高電導(dǎo)能力，為多種表皮電子傳感器在人體皮膚表面的信號(hào)互連提供了一種簡(jiǎn)單可靠的技術(shù)解決方案。
薄膜結(jié)構(gòu)賦予了表皮電子傳感器與人體皮膚良好的共形能力，這是表皮電子傳感器在采集人體生理信號(hào)時(shí)信號(hào)質(zhì)量更優(yōu)、佩戴更為舒適的基礎(chǔ)。然而，薄膜結(jié)構(gòu)的表皮電子傳感器與傳統(tǒng)導(dǎo)線(xiàn)/印刷電路板之間存在嚴(yán)重的機(jī)械性能失配，極易導(dǎo)致脆弱的表皮電子傳感器在日常使用中發(fā)生破裂與失效。因此，開(kāi)發(fā)具有和表皮電子傳感器類(lèi)似結(jié)構(gòu)的皮上薄膜導(dǎo)線(xiàn)將極大地推動(dòng)表皮電子傳感器的實(shí)用化研究進(jìn)程。
圖1.皮上螺旋互連導(dǎo)線(xiàn)的概念圖
螺旋結(jié)構(gòu)在自然界以及人類(lèi)生產(chǎn)生活中被廣泛地使用以賦予非彈性體材料可拉伸的能力，但是具有螺旋結(jié)構(gòu)的可拉伸金屬纖維如何牢固地貼附于人體皮膚上？受到手風(fēng)琴燈籠“內(nèi)骨架+外部薄膜封裝”的結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出了皮上螺旋互連（On-skin Helical Interconnects，OSHIs）的結(jié)構(gòu)設(shè)想（圖2）。OSHIs由兩層聚合物纖維薄膜包裹金屬螺旋纖維構(gòu)成，金屬螺旋纖維提供可拉伸的不變導(dǎo)電特性，而聚合物纖維薄膜作為柔性與自粘的封裝層。OSHIs結(jié)構(gòu)的意義不僅在于提供了一種可以在皮膚表面提供穩(wěn)定導(dǎo)電通路的簡(jiǎn)便方法，而且OSHIs本身?yè)碛械木酆衔锢w維薄膜是表皮電子學(xué)研究中眾多傳感器所依賴(lài)的通用襯底，因此OSHIs將兼容多種多樣的表皮薄膜傳感器的植入工藝（圖3和圖4），從而提供豐富多樣且性能穩(wěn)定的“互連-傳感”一體化應(yīng)用系統(tǒng)。
圖2.(a)手風(fēng)琴燈籠的結(jié)構(gòu)和(b)皮上螺旋互連薄膜的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
圖3.在OSHIs中植入表皮應(yīng)變傳感器
圖4.基于OSHIs構(gòu)建表皮12導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)
這一皮上螺旋互連可以很好地兼容表皮電子傳感器柔軟可拉伸的特性，使得表皮傳感器的固有性能優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮。作為演示，團(tuán)隊(duì)成員設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單應(yīng)變傳感的手勢(shì)識(shí)別腕帶（圖5a），該腕帶通過(guò)將植入了應(yīng)變傳感器（圖3）的OSHIs貼附在手背處，利用表皮傳感器優(yōu)異的皮膚共形能力，探測(cè)到不同手指運(yùn)動(dòng)在手背處產(chǎn)生手背皮膚應(yīng)變的微弱變化，得到了對(duì)應(yīng)五指的不同特征波形（圖5b）。由于OSHIs在拉伸狀態(tài)下幾乎不變的導(dǎo)電特性，該系統(tǒng)對(duì)手背皮膚應(yīng)變極度敏感的同時(shí)，對(duì)手腕處皮膚的應(yīng)變則完全不敏感（圖5c），表現(xiàn)出該系統(tǒng)特異性識(shí)別手指運(yùn)動(dòng)而免受其他運(yùn)動(dòng)干擾的能力。
圖5.基于單傳感器的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)
利用OSHIs構(gòu)建表皮12導(dǎo)聯(lián)心電系統(tǒng)則是表皮電子學(xué)研究在生理信號(hào)檢測(cè)應(yīng)用方面的進(jìn)一步大膽嘗試。與傳統(tǒng)心電設(shè)備存在復(fù)雜笨重的電極與導(dǎo)聯(lián)不同，該系統(tǒng)的電極和導(dǎo)聯(lián)全部采用基于OSHIs的類(lèi)皮膚薄膜（圖4）。由于十分輕薄，佩戴者幾乎感覺(jué)不到電極和導(dǎo)聯(lián)的存在。同時(shí)由于OSHIs在皮膚上完成信號(hào)傳輸，避免了傳統(tǒng)導(dǎo)聯(lián)纏繞和拖拽電極的現(xiàn)象，使得動(dòng)態(tài)心電信號(hào)質(zhì)量得以穩(wěn)定測(cè)量（圖6）。
圖6.動(dòng)態(tài)心電圖（選取的II導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)作為代表）測(cè)試波形
綜上所述，受手風(fēng)琴燈籠結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)首次提出自粘、堅(jiān)固、靈活的皮上螺旋互連（OSHIs）的概念和制備策略?；贠SHIs的“互連-傳感”一體化設(shè)計(jì)為薄膜表皮電子傳感器的穩(wěn)定檢測(cè)和信號(hào)傳輸（到處理電路板）提供了一種簡(jiǎn)單、有效且較為通用的解決方案。該工作也是表皮互連研究從平面向三維結(jié)構(gòu)的首次嘗試。
相關(guān)研究以“用于表皮電子傳感器的類(lèi)燈籠結(jié)構(gòu)皮上螺旋互連”（Lantern-Inspired On-Skin Helical Interconnects for Epidermal Electronic Sensors）為題于2月28日在線(xiàn)發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
清華大學(xué)集成電路學(xué)院2021級(jí)博士生李鼎和2019級(jí)博士生崔天睿為本文共同第一作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授、楊軼副教授和北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心劉厚方助理研究員為本文通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市自然基金委、清華大學(xué)國(guó)強(qiáng)研究院、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心等的支持。
近年來(lái)，任天令團(tuán)隊(duì)致力于柔性、可穿戴智能器件芯片，以及面向元宇宙、醫(yī)療健康的新型感知技術(shù)的探索，在新型石墨烯聲學(xué)器件和各類(lèi)傳感器件方面已取得多項(xiàng)創(chuàng)新成果。先后在《自然》（Nature）、《自然·電子》（Nature Electronics）、《自然·通訊》（Nature Communications）等知名期刊以及國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM）等領(lǐng)域內(nèi)頂級(jí)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表多篇論文。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202213335
供稿：集成電路學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：郭玲
