工程师完全从线程制造晶体管和电子设备

据外媒报道,近日,一组工程师开发出一种由亚麻线制成的晶体管,使他们能够制造完全由细线制成的电子设备,这些设备可以编织成织物,佩戴在皮肤上,甚至(理论上)通过外科手术植入身体内以进行诊断监测。

  据外媒报道,近日,一组工程师开发出一种由亚麻线制成的晶体管,使他们能够制造完全由细线制成的电子设备,这些设备可以编织成织物,佩戴在皮肤上,甚至(理论上)通过外科手术植入身体内以进行诊断监测。研究人员说,完全灵活的电子设备可以符合不同形状的各种应用,并允许自由移动而不影响功能。


基于螺纹的晶体管的顶视图和截面图。源极(S)和漏极(D)导线连接到碳纳米管涂覆的线上,浸入电解栅极凝胶中。当栅极高于阈值电压时,栅极线连接到凝胶以触发电子流过晶体管。图片来源:塔夫斯大学纳米实验室

  在ACS应用材料与接口公司发表的一项研究中,作者描述了第一种基于螺纹的晶体管(TBT)的工程设计,这种晶体管可以制成简单的、基于全螺纹的逻辑电路和集成电路。这些电路取代了许多当前灵活设备的最后剩余刚性组件,当与基于线程的传感器结合使用时,可以创建完全灵活的多路复用设备。

  柔性电子领域正在迅速发展,大多数器件通过将金属和半导体图案化为可弯曲的“波浪”结构或使用本身柔性材料(如导电聚合物)来实现灵活性。这些“软”电子设备能够应用于与嵌入它们的生物组织一致并伸展的设备,例如皮肤、心脏甚至脑组织。

  然而,与基于聚合物和其他柔性材料的电子产品相比,基于螺纹的电子产品具有出色的灵活性、材料多样性以及无需洁净室即可生产的能力,研究人员表示。基于线程的电子设备包括非常薄、柔软和柔韧的诊断设备,足以与他们正在测量的生物组织无缝地集成。


图1:螺纹晶体管(TBT)的制造a)亚麻布线b)源极(S)和漏极(D)细金线的附着c)在螺纹表面上滴下碳纳米管铸造)注入电解质凝胶的应用( ionogel)gate materiale)栅极线的附着(G)f)TBT的横截面图。电解质EMI:1-乙基-3-甲基咪唑鎓TFSI:双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺。图片来源:塔夫斯大学纳米实验室

  Tufts工程师之前开发了一套基于螺纹的温度、葡萄糖、应变和光学传感器,以及可以从周围组织吸取样品或将药物分配到周围组织的微流体线。本研究中开发的基于线程的晶体管允许创建控制这些组件的行为和响应的逻辑电路。作者创建了一个简单的小型集成电路,称为多路复用器(MUX),并将其连接到基于线程的传感器阵列,能够检测钠和铵离子,监测心血管健康、肝脏和肾脏功能的重要生物标志物。

  研究人员解释,“在实验室实验中,我们能够展示我们的设备如何监测多个位置的钠和铵浓度的变化,从理论上讲,我们可以扩大我们用TBT制造的集成电路,在一个设备的许多不同位置连接大量传感器,跟踪许多生物标记。”

  制作TBT(参见图1)涉及用碳纳米管涂覆亚麻线,这产生了电子可以穿过的半导体表面。连接到线程的是两条细金线 - 电子的“源”和电子流出的“漏极”(在某些配置中,电子可以在另一个方向上流动)。称为栅极的第三导线连接到围绕螺纹的材料,使得通过栅极导线的电压的微小变化允许大电流流过源极和漏极之间的螺纹 - 晶体管的基本原理。

  本研究中的一项重要创新是使用注入电解质的凝胶作为螺纹周围的材料并连接到栅极线。在这种情况下,凝胶由二氧化硅纳米粒子组成,其自组装成网络结构。电解质凝胶(或离子凝胶)能够容易地沉积在螺纹通过浸渍涂布或擦拭迅速。与用作经典晶体管中的栅极材料的固态氧化物或聚合物相比,离子凝胶在拉伸或弯曲下具有弹性。

  “TBT的发展是制造完全灵活的电子产品的重要一步,因此现在我们可以将注意力转向改善这些设备的设计和性能,以实现可能的应用,”塔夫茨大学电气和计算机工程教授Sameer Sonkusale说。工程学院和相应的研究作者。“有许多医学应用,其中生物标记的实时测量对于治疗疾病和监测患者的健康非常重要。完全整合柔软且柔韧的诊断监测装置的能力可以让患者几乎不会注意到。”

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