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《基于重叠碳纳米管分离的超灵敏应变传感器》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2019-03-05

  • 尽管可拉伸应变传感器已经有了显著的改进，但具有可伸缩制造技术且同时具有高灵敏度和可拉伸性的应变传感器的开发仍然具有挑战性。本文提出了一种基于重叠碳纳米管(CNT)束和硅弹性体的可拉伸应变传感器。通过合成线状垂直排列的碳纳米管束并将其轧制转移到硅弹性体上，制备了具有重叠碳纳米管的应变传感器。滑动和重叠碳纳米管的分离,无与伦比的应变传感器执行广泛的传感范围(应变≥145%),超高灵敏度(计42倍300株125 - 145%),重复性高,和持久性。传感器的性能也可以通过控制碳纳米管束的重叠面积来调节。进一步研究了该传感器的工作原理及其在人体运动检测中的应用。该传感器具有新颖的结构和机制，能够以高灵敏度检测到大范围的应变，显示出可穿戴医疗设备等众多应用的潜力。

    ——文章发布于2019年2月12日

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相关报告

  • 《面向人工视觉的碳纳米管光电传感器阵列问世》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2021-03-29
    • 视觉系统对生物体的生存 和竞争都必不可少。在视觉信息处理过程中，在大脑视觉中枢做出复杂行为判断之前，视网膜在对光刺激信号进行检测的同时，并行处理所捕获的图像信息。开发人工视觉系统的挑战是双重的，既要重新创建动物系统的灵活性、复杂性和适应性，又要通过高效率计算和简洁的方式来实现它。目前的人工视觉系统往往采用传统的互补金属氧化半导体（ CMOS ）或者电荷耦合器件（ CCD ）图像传感器与执行机器视觉算法的数字系统相连接来实现，这些传统的数字人工视觉系统具有功耗高、尺寸大、成本高等缺点。相比而言，人类视觉系统拥有很多带有突触的视神经元，它们不仅 能够探测图像信息，还可以存储信息和处理数据，因此能平行地处理大量的信息，而每个突触活动所耗费的能量仅为 1-100 飞焦耳。因此， 将图像感测、存储和处理功能集成到器件的单一空间，并针对连续模拟亮度信号实时处理不同类型的时空计算，对实现神经形态人工视觉系统意义重大。 具有神经形态的光电传感器通过模拟电子电路，实现由生物系统启发的特殊视觉处理功能，这些电路特别适合于尝试模仿生物视觉系统的构建。 近期，中国 科学院金属研究所科研人员与国内多家单位的科研团队合作，开发出一种柔性碳纳米管 - 量子点神经形态人工视觉芯片，研究成果于 3 月 19 日在 《自然 · 通讯》（ Nature Communications ）在线发表，题为 “ 面向神经形态视觉系统的柔性超灵敏光电传感阵列（ A flexible ultrasensitive optoelectronic sensor array for neuromorphic vision systems ） ” 。 为了构筑高性能的神经形态视觉系统，必须首先获得具有超高响应度、探测性和信噪比的光电传感器。为了在极端昏暗的光线条件下实现增强的成像能力， 科研人员设计并制备了一个 1024 像素的柔性光电传感器阵列，使用半导体性碳纳米管和钙钛矿量子点的组合作为神经形态视觉系统的有源敏感材料，集成了光传感、信息存储和数据预处理等功能，成功实现了视觉图像强化学习过程。 这两类材料都具有优异的柔韧性、稳定性及工艺兼容等特点，通过材料组合为实现 兼具生物体灵活性、复杂性和适应性的 神经形态人工视觉传感器提供了新策略。这也是第一次通过高集成度物理器件阵列方式，实现超 弱光脉冲（ 1μW/cm 2 ）响应，并完成 神经形态强化学习的案例。与生物系统行为类似，光电传感器、存储元件和数据分析处理等组件在阵列中共享物理空间，并实时并行处理信息，这些结果对于试图模仿生物视觉处理的人工视觉系统具有重要的启发意义。 该工作由中国科学院金属所孙东明、成会明课题组与南京理工大学李晓明、曾海波课题组，中国科学院苏州纳米所邱松、李清文课题组，东北大学田亚男和南京大学王肖沐等单位合作完成。中国科学院金属所博士生朱钱兵、李波为共同第一作者。该研究计划得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院先导项目和沈阳材料科学国家研究中心等项目支持。
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  • 《基于碳纳米管的柔性集成电路》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-10-14
    • 柔性集成电路作为信息处理的核心单元，是实现全柔性电子系统的重要组成部分，由于其应用形式的扩展，与现有的混合柔性系统（部分或全部基于刚性硅片）相比具有优势，更好的适应性，以及在生物/非生物界面操作的能力。最终集成系统的可交付功能在很大程度上取决于柔性集成电路的信息处理能力，这在很大程度上取决于其性能和集成规模。此外，随着柔性电子系统在便携式，可穿戴或远程形式且电源受限的应用中变得越来越受欢迎，柔性集成电路的功耗变得至关重要，因为它们会消耗系统中的大量能量。由于在热预算较低且工作环境复杂的柔性基板上的制造环境受到限制（从机械和电气条件的角度来看），因此，寻求具有高性能，合理的集成规模和低功耗的柔性集成电路非常具有挑战性，但是对于高级的，完全灵活的系统而言，这是必需的。生物相容性，可降解性和可配置性等其他特征将为柔性集成电路增加价值，并为柔性电子产品引入非常规形式和新的可交付成果。 本文，北京大学胡又凡课题组在《 Acc. Mater. Res》期刊发表了“Flexible Integrated Circuits Based on Carbon Nanotubes”的论文，该文献总结了过去五年我们在发展碳纳米管基柔性集成电路方面所做的努力。作为制造下一代芯片的有希望的候选材料，碳纳米管集成电路在性能和功耗方面已经显示出其优越性，我们通过材料优化、器件设计、加工技术开发，将这些进步扩展到一种灵活的形式，我们从简单介绍碳纳米管的特性入手，揭示其作为下一代电子器件沟道材料的内在优势。接下来，我们讨论了我们开发的制造方法，通过直接制造或转移工艺在柔性基板上构建集成电路，以保持这些优势并使电路适合不同的应用环境。然后，介绍了不同形式和特性的碳纳米管基柔性集成电路，包括： （1）在超薄高性能衬底上植入互补金属氧化物半导体电路， （2） 具有生物集成能力和低功耗的可转移集成电路； （3）高产量、高均匀性的可降解集成电路； （4）多功能可配置集成电路。还介绍了用这些电路构成的集成柔性传感器系统。 最后，我们以对碳纳米管在柔性集成电路和新型电子产品中所面临的挑战和新机遇的概述来结束这篇文章。 图1.具备功能的柔性IC的CNT的关键属性 图2.（a）在柔性基板上直接制造器件的过程。 （b）CAED实验装置的示意图。 （c）照片显示了用电子设备制造的超薄聚对二甲苯基板的分层过程。比例尺，1厘米。平均分层速度 （d）施加电压， （e）NaCl浓度 （f）硅片倾斜角的函数。 （h）照片显示用金电线沉积的PI，PMMA和SEBS薄膜分层。 图3.（a）CNT CMOS结构的截面图。 （b）在分层之后测量的100个p型TFT和100个n型TFT 的V th的传递特性和统计分布。（d）在卷制前后的TFT的转印特性。插图：正在滚动的系统照片。比例尺，200μm。 （e）典型CMOS反相器的VTC。 （f）随着V dd的增加，三级RO的振荡频率变化。插图：RO的照片。比例尺，100μm。（g）附着在皮肤上以进行汗液监测的集成传感器系统的照片。比例尺，1厘米。 （h）集成传感器系统的电路图和（i）频率-湿度曲线。 图4.（a）转移到任意非常规衬底上的器件和IC。 （b）I 开 / I 关和（c）I 关 / W对100个已转移设备的统计分布。插图（c）：V th的统计分布。 （d）100个逆变器的VTC。插图：电路图。 （e）这些逆变器的峰值分布和最低功耗。 （f）全加法器的光学图像和（g）输入-输出特性。 图5.（a）基于CNT薄膜的可降解器件的晶圆级制造。 （b）转移前晶片上10个芯片的空间分布， （c）这些芯片的器件良率。 （d）芯片10中100个TFT的传输特性。 （e）V th的对应统计分布。 （f）不同转移码片之间的V th统计。 （g）附着在植物叶片上的传感平台的光学图像和电路图。比例尺，1厘米。 （h）实时监测模拟生态系统。 （i）一系列图像显示了人工降雨下感应平台的退化过程。比例尺，1厘米。 图6.（a）DMG设备的剖视图。 （b）不同V ds下典型DMG设备的传输特性。插图：DMG设备（红色曲线）和NG设备（蓝色曲线）的示意性能带结构。 （c）DMG和NG设备之间的I off / W比较。 （d）二极管配置下典型DMG设备和NG设备的I – V曲线。 （e）78种DMG设备的整流比的统计分布。 （f）具有两个DMG器件和一个电阻器的可配置柔性IC的等效电路图， （g）光学图像和（h）动态输入-输出特性 碳纳米管作为一种非常有前途的下一代芯片的候选材料，在柔性集成电路中的应用也显示出了其优越性，这不仅体现在它们所获得的高性能上，与刚性衬底上的同类产品相匹配，而且还表现出所需的兼容性和适应性适合各种新兴应用。对于构造用于处理模拟信号的电路，要求器件具有大跨导（以获得更好的放大能力），寄生电容/电阻小（用于提高采样率和采样速度），器件之间的参数偏差可忽略不计。在数字电路的构造中，为了使电路具有更好的抗噪声能力，扇形输入/扇出、正确的时序逻辑输出和级联能力等问题越来越受到重视。使更强大的柔性集成电路能够构建完全灵活的集成系统，将释放出柔性电子的真正力量，它可以在各种应用领域提供突破，例如先进的监测、诊断和治疗形式。
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