基于粒子吞噬打印的软电子器件研究 学术背景 随着可穿戴设备、健康监测、医疗设备和人机交互等领域的快速发展，软电子器件（soft electronics）因其能够与生物系统无缝集成而备受关注。传统的刚性电子器件与生物组织之间存在机械性能不匹配的问题，这限制了其在生物医学领域的应用。为了解决这一问题，研究人员提出了多种策略，例如通过微结构设计（如蛇形图案和剪纸结构）赋予刚性器件宏观可拉伸性。然而，这些方法通常以牺牲电子性能为代价来换取可拉伸性。 近年来，基于聚合物电子材料的本征可拉伸器件因其高组件密度和优异的机械延展性而成为研究热点。然而，现有的材料通常需要在电子性能和可拉伸性之间进行权衡。为了克服这一挑战，研究人员尝试将功能性粒子与软聚合物结合，以创建具有类组织特性的高性能电子器件。然而，现有...
穿戴式单一声波肌电图系统的创新突破：从肌肉动态监测到复杂手势跟踪 学术背景与研究意义 近年来，穿戴式电子设备因其在健康监测和人机交互领域中的巨大潜力而备受关注。其中，表面肌电图（Electromyography，EMG）作为一种能够测量肌肉活动的技术，已成为研究的热点。然而，EMG 信号存在诸多限制：信号强度弱且不稳定，空间分辨率较低，且信噪比不佳。其随机性和低同步性的问题导致测量结果的不一致，使得难以实现对特定肌肉纤维贡献的有效分离。此外，为提高信号质量所采用的大型电极会进一步降低空间分辨率。 相比之下，超声波肌电图（Echomyography，ECMG）是一种利用超声波来测量肌肉活动的技术，具有安全、稳定、灵敏度高等特点。然而，目前依赖刚性或柔性传感器阵列的 ECMG 系统需要复杂的线路...
数字化刺绣超材料生物传感器：运动环境中的无接触生物信号监测 近年来，随着智能汽车、航空安全及健康监测需求的增加，各类传感器技术得到了飞速发展。然而，在动态环境中，尤其是涉及生理信号监测时，传统传感器技术面临许多挑战，例如信号干扰、振动影响以及隐私问题。为此，本文提出一种使用数字刺绣制造的超材料生物传感器，能够在运动环境下无接触地采集高质量心肺信号，为解决上述难题提供了新思路。 研究背景及动机 根据统计数据，仅在美国，每年由驾驶员因疲劳、注意力不集中等因素引发的交通事故超过10万起。为减少此类事故，汽车生物传感器被视为一种潜在的解决方案，它们可用于检测驾驶员疲劳状态、压力水平以及健康风险。然而，目前的传感技术在动态环境中面临多重挑战，例如车内振动、身体运动干扰及封闭空间内的多路径信号反射等。此...
柔性电子中的液态金属微滴快速三维组装与电气连接研究 简介：研究背景与意义 随着柔性电子技术在软体机器人、可穿戴电子设备、柔性显示屏等领域的广泛应用，如何实现柔性和可拉伸电路的层间电气连接成为该领域的核心挑战之一。传统刚性电子设备中，通过化学或等离子蚀刻等成熟技术完成硅片上的微米至纳米级贯通孔(via)制备。然而，在柔性电子中，这种方法存在流体材料黏度、力学性能失配以及填孔过程低效复杂等问题。尤其是，由于柔性器件的机械动态特性，传统刚性导体制作的贯通孔易成为应力集中区域，从而导致器件的结构性缺陷乃至失效。 为解决这一系列挑战，本研究提出了一种基于液态金属微滴（Liquid Metal Microdroplets, LMMDs）层化沉积的快速制造方法，用以形成柔性电子应用中的三维电气互连。液态金...
高声压压电微机械超声换能器的研究进展 学术背景 超声换能器在物体检测、无损检测、生物医学成像和治疗等领域有着广泛的应用。与传统的体超声换能器相比，压电微机械超声换能器（PMUTs）具有体积小、功耗低、带宽宽等优势，适用于消费电子和物联网（IoT）中的测距、手势识别、指纹传感和3D成像等应用。然而，这些小型传感器的输出压力相对较低，限制了其在多种应用中的信号传输能力。例如，目前最先进的基于氮化铝（AlN）的PMUT阵列仅能实现4米的传输距离。为了扩展PMUT在诸如空中触觉反馈、扬声器和声学镊子等应用中的使用，主要挑战在于实现高声压级（SPL）。 PMUT的传输特性主要由机械结构设计和活性压电材料决定，因此寻找新的材料以提升性能成为研究重点。尽管AlN是最常用的压电材料，但其压电系数较低（e31...
基于树根启发的模板限制增材打印技术用于制造高鲁棒性共形电子器件 学术背景 随着智能机器人、智能皮肤和集成传感系统等新兴应用场景的快速发展，共形电子器件在自由曲面上的应用变得至关重要。然而，现有的共形电子器件在机械或热影响下容易发生撕裂、断裂或开裂，限制了其应用可靠性。为了解决这一问题，研究人员从树根系统的力学机制中获得灵感，提出了一种模板限制增材打印（Template-Confined Additive, TCA）技术，用于制造高鲁棒性的共形电子器件。 论文来源 该论文由Guifang Liu、Xiangming Li、Yangfan Qiu等作者共同撰写，作者来自西安交通大学微纳技术研究中心和前沿科学技术研究院。论文于2024年发表在Microsystems & Nanoengineeri...
革命性的自供电葡萄糖监测机制：基于微生物孢子的微工程纸基平台 学术背景 糖尿病是一种慢性代谢疾病，其特征是血糖水平升高，可能导致心血管疾病、视网膜病变、肾衰竭和神经病变等严重并发症。全球糖尿病患者的数量预计将从2021年的5.29亿增加到2050年的13亿，因此有效的血糖监测变得尤为重要。尽管目前的医疗手段无法治愈糖尿病，但通过血糖监测，患者可以更好地管理病情，预防并发症的发生。 传统的血糖监测设备通常依赖于酶基电化学传感器，这些传感器虽然具有高选择性和便携性，但酶的降解问题限制了其使用寿命和稳定性。近年来，研究人员开始探索非侵入式、连续监测的血糖监测技术，如通过汗液、唾液和泪液等生物体液进行监测。然而，现有的连续血糖监测系统（CGM）通常只能持续几天，并且需要特定的储存条件以维持其性能。 ...
自动化超微结构分析：基于大规模高光谱电子显微镜的研究 学术背景 电子显微镜（Electron Microscopy, EM）是研究生物超微结构的关键技术，能够在生物分子分辨率下揭示细胞的精细结构。近年来，随着自动化和数字化的发展，电子显微镜能够以纳米级分辨率捕获大面积的细胞和组织样本。然而，电子显微镜图像通常是灰度图像，且数据量庞大，分析过程往往依赖于繁琐的手动注释，这限制了其在大规模研究中的应用。为了解决这一问题，研究者们开始探索如何通过自动化手段提取生物分子组装体的信息，从而加速对生物超微结构的理解。 本文的研究背景在于，尽管电子显微镜在生物医学研究中具有重要地位，但其分析过程仍然面临挑战。特别是，如何从大规模的电子显微镜数据中自动提取生物分子信息，成为了一个亟待解决的问题。本文提出了一...
气泡热声模式与光机械传感器的耦合研究 学术背景 气泡在液体中的声学行为一直是物理学和工程学领域的重要研究课题。气泡的振动模式不仅与自然界中的声学现象密切相关，还在微流体、生物传感等领域具有广泛的应用前景。Minnaert呼吸模式是气泡声学中最著名的振动模式，它描述了气泡在液体中的基本振动行为。然而，气泡还支持一系列高阶声学模式，这些模式的理论预测虽然存在，但实验观测却极为罕见。此外，光机械传感器作为一种高灵敏度的探测工具，能够检测微尺度的声学和振动特性，为研究气泡的声学行为提供了新的平台。 本文的研究旨在通过光机械传感器探测气泡的声学模式，特别是高阶声学模式，并探讨气泡与传感器之间的耦合效应。研究不仅有助于深入理解气泡的声学特性，还为优化微机械振荡器的性能提供了新的思路。 论文来源 本文由K...
压电共振传感器在化学和生物传感领域有着广泛的应用。它们通过检测压电谐振器表面因分析物（analyte）沉积而引起的共振频率变化来实现传感。为了检测微小的分析物变化，谐振器需要具有高品质因数（quality factor, Q factor）。传统上，提高品质因数的方法是通过优化谐振器的振动模式、结构和材料。然而，这些方法往往复杂且成本较高。本文提出了一种新的方法，利用Fano共振（Fano resonance）来增强压电传感器的品质因数，而不是通过优化谐振器本身的结构或材料。 Fano共振是一种普遍存在的散射波现象，最初在原子和固体物理中被发现。它发生在离散量子态与连续态之间的干涉中，导致非对称且陡峭的频谱分布。Fano共振的窄线宽特性使其在光子器件中具有广泛的应用潜力。本文通过将外部并联电...