基于IGZO半导体纳米网格的可穿戴实时人体呼吸监测
基于IGZO半导体纳米网格的可穿戴实时人体呼吸监测
随着物联网技术的快速发展，可穿戴设备在健康监测领域的应用越来越广泛。最近，一篇发表在《Wearable Electronics》上的研究论文提出了一种基于IGZO半导体纳米网格的可穿戴实时人体呼吸监测技术，为个性化医疗和疫情防控提供了新的解决方案。
研究背景
室温高灵敏度气体传感器在低功耗物联网（IoT）应用中尤为重要，例如智能传感器、可穿戴设备和移动机器人。其中，金属氧化物半导体气体传感器因其生产成本低、灵敏度高且操作简便而受到重视，适用于检测易燃、爆炸性、有毒和呼出气体。纤维化的气敏传感器因其比表面积大、灵敏度高、电学性能优异而得到广泛使用，然而，进一步减少纤维直径提升器件灵敏度及实现集成化实时监测系统仍未得到充分探索。
技术亮点
文章以超薄（直径~88 nm）非晶IGZO纳米纤维为半导体材料，开发高性能场效应晶体管，用于无线、实时人体呼吸监测。通过静电纺丝法制备的IGZO纳米纤维作为器件的电荷传输层，显著增加了气体扩散的表面积，表现出迁移率为2.2 cm²/V·s，开关电流比达到10⁵。传感器能够快速记录不同呼吸模式，并通过与柔性电路集成在口罩上实现实时监测。具有紧凑尺寸的IGZO纳米纤维传感芯片（15 × 35 mm²）与内置3.7 V电池配合，支持数据可视化，展示了个性化医疗和疫情防控的应用潜力。
技术实现
研究团队开发了超薄（直径~88 nm）非晶IGZO纳米纤维，用于无线、实时的人体呼吸监测。通过静电纺丝法制备IGZO纳米纤维，用于器件电荷传输层，显著增加了气体扩散的表面积。制备的器件表现出优异的场效应特性，平均迁移率为2.2 cm²/V·s，且电流开关比达到10⁵。基于IGZO纳米纤维传感器具有快速的响应、恢复时间以及稳定性，成功地记录了人快速、正常和深度呼吸状态下的呼吸信号。通过将传感器与柔性电路集成并安装在口罩上，实现了无线、实时的呼吸状态监测，突显了其在健康监测应用中的潜力。
图1：研究概览：基于IGZO纳米纤维传感器，与柔性电路集成，实现具有无线和实时监测功能的智能口罩。
通过微纳形貌表征，IGZO纳米纤维在基底上呈现光滑圆柱状的非晶形貌，平均直径为88 nm，远小于静电纺丝的金属盐/PVP纤维（804 nm），表明热退火显著减小了纤维体积。基于IGZO纳米纤维的FET器件表现出n型半导体特性，具备约10⁵的开关电流比和+20 V的阈值电压，迁移率为2.2 cm² V⁻¹ s⁻¹。随着输入信号增加，输出电流逐渐下降，归因于载流子的耗尽。
图2：IGZO纳米纤维的形貌和电学表征：a） IGZO纳米纤维静电纺丝示意图，b） IGZO纳米纤维的SEM图像，c） 单根IGZO纳米纤维的TEM图像及SAED图，d） 金属盐/PVP纤维的直径分布，e ）IGZO纳米纤维热处理后的直径分布，f） IGZO NF-FET器件结构示意图，插图显示器件的SEM图像，g） 典型的IGZO NF-FET传输曲线。
呼吸监测在运动和医疗诊断中至关重要。IGZO纳米纤维传感器在监测五位志愿者的呼吸频率中表现出快速响应（约0.7秒），并能准确记录正常、快速和深度呼吸的不同模式，显示出良好的应用潜力。
图3：人体呼吸状态监测：a）用于人体呼吸监测的IGZO纳米纤维传感器，b）设备处于呼吸气流时的电流变化，c）五位志愿者的呼吸监测结果，d）正常、快速和深度呼吸模式下记录的电流，e）经快速傅里叶变换处理的呼吸速率和呼吸频率。
将传感器集成到传统口罩中，开辟了个性化医疗和疫情防控的新机遇。研究团队将IGZO纳米纤维传感器与柔性电路结合，实现了15 × 35 mm²的紧凑尺寸，支持实时呼吸监测。该传感器与内置3.7 V电池供电的柔性电路连接，可通过智能手机和定制应用程序可视化数据。记录的电信号捕捉了志愿者的多种呼吸状态，展示了该技术在个性化医疗和疫情防控中的潜在应用。
图4：IGZO纳米纤维传感器的无线智能集成口罩：a）志愿者佩戴智能口罩的照片，b）智能口罩的集成图，包括无线柔性读出电路，c）电路的详细图，d）使用智能口罩进行实时呼吸监测，e ）相应的电流响应曲线，BUF: 缓冲器；AC/DC: 交流/直流；TIA: 跨阻放大器；LPF: 低通滤波器；ADC: 模数转换器；DSP: 数字信号处理器；BLE: 低功耗蓝牙。
总结与展望
本研究的主要优势在于开发的IGZO纳米纤维传感器具有高灵敏度和快速响应能力，能够实现无线、实时的呼吸监测，这在个性化医疗和疫情防控中展现出广阔的应用前景。然而，未来的研究应着重改善传感器的长期稳定性和耐用性，以适应更广泛的环境条件。此外，传感器的集成和便携性仍需进一步优化，以提高用户的佩戴舒适性和操作便捷性。
参考文献：
Q. Ma, H. Wang, Y. Sun, J. Ahn, B. Wang.
Nanofibrous metal oxide semiconductor for sensory face masks
Wearable Electronics 1, 189-194 (2024).
https://doi.org/10.1016/j.wees.2024.09.001
本文原文来自Wearable Electronics