一种化学调节的仿生伤害感觉系统及其制备方法

专利检索2025-04-18  15


本发明属于半导体器件领域,具体涉及一种化学调节的仿生伤害感觉系统及其制备方法。


背景技术:

1、人类的痛觉系统包括痛觉感受器、传入神经、中枢神经系统和下行痛觉调节系统,具有感觉、加工、记忆和痛觉调节等复杂功能,该系统的疼痛调节对于环境适应、疼痛管理以及对潜在威胁的感知和反应至关重要,传入神经将由伤害感受器感知的疼痛传递给中枢神经系统,两种类型的疼痛传入纤维,a-δ纤维(快速、短期疼痛)和c纤维(缓慢、慢性疼痛),由下行疼痛调节系统进一步调节,该系统释放神经递质,调节疼痛信号的传递,并通过自上而下的调节增强或抑制疼痛,这种适应性疼痛感知可以增强对弱刺激的感知,以防止损伤,同时也可以抑制疼痛,以帮助恢复和减少药物依赖。

2、神经递质传递、感觉调节以及感觉、处理和记忆的基本功能是下一代仿生感觉系统的必需条件。

3、在生物系统中,人类感觉神经元主要依靠化学信号传递,利用神经递质进行自我调节,从而适应不同的环境。

4、对于仿生感知领域,虽然单个的神经形态器件(如突触晶体管、忆阻器)已经实现了对多种物理信号的感知,但实现神经递质传输和调节功能是器件与人体实现更深交互的必要条件,这主要是由于以下限制:目前的感知系统感知物理信号较多,实现化学信号感知和调节的器件鲜有报道;实现系统内可控的化学物质释放较为困难,传统的刺激响应释放系统,包括聚合物、磷脂双层等,通过外部刺激诱导的熔化或降解来排出化学微滴或微颗粒,一旦开始,就无法关闭以阻止释放,无法实现较好的调节功能且与人体的神经递质释放模型有很大的偏差。

5、因此,开发一种兼具化学感知、调节功能以及化学物质可控释放的仿生伤害感觉系统从根本上具有挑战性。


技术实现思路

1、本发明是为了解决上述问题而进行的,目的在于提供一种化学调节的仿生伤害感觉系统及其制备方法。

2、本发明提供了一种化学调节的仿生伤害感觉系统,具有这样的特征,包括:基于液晶的化学物质释放系统,包含pdms模具与均相溶液,其中,均相溶液包含液晶和微液滴,微液滴包含化学物质与表面活性剂;基于有机晶体管的突触器件,化学物质释放系统设置于突触器件上,微液滴中的化学物质的释放引起突触器件内电流的变化以模拟痛觉的增强或抑制;运算放大器,连接突触器件,用于放大突触器件的输出电流;以及加热线圈,用于接收运算放大器的输出电流并加热均相溶液中的液晶至阈值。

3、在本发明提供的化学调节的仿生伤害感觉系统中,还可以具有这样的特征:其中,突触器件包括:基底,作为突触器件的支撑层;源漏栅电极,设置于基底上,作为突触器件的工作电极为其提供驱动电压,包含源极、漏极和栅极,漏极与运算放大器连接;半导体层,置于基底、源极和漏极之上,用于连接源极和漏极以作为源漏栅电极电路中的沟道,通过在栅极施加电压改变其表面及体相离子掺杂而改变电导,以改变源极和漏极之间的沟道的电流大小;和电解液层,置于基底与半导体层之上,受栅极电压驱动引起内部离子向半导体层的表层迁移、分布和掺杂以改变沟道电导。

4、在本发明提供的化学调节的仿生伤害感觉系统中,还可以具有这样的特征:其中,基底为不导电的透明材料,包括无机材料、有机材料或高分子材料中的任意一种,半导体层由含有烷基侧链的共轭聚合物有机半导体组成,包含dppdtt,pdpp4t,p3ht和/或pg(2t-t),浓度为1~5mg/ml,厚度为20~500nm,沟道的长度为20μm~1mm,源漏栅电极的材料包含导电金属、导电合金、导电金属氧化物、碳纳米管和/或pedot:pss,源漏栅电极的厚度为20~100nm,电解液层包含电解液,电解液包含去离子水,nacl溶液,kcl溶液和/或pbs溶液。

5、在本发明提供的化学调节的仿生伤害感觉系统中,还可以具有这样的特征:其中,微液滴和液晶的体积比为(0.1~3):10,液晶为向列相热致液晶,为包括5cb、e7或y6中的任意一种,用于将微液滴包裹在液晶的相中形成“油包水”结构的均相溶液。

6、在本发明提供的化学调节的仿生伤害感觉系统中,还可以具有这样的特征:其中,pdms模具粘接于基底之上,pdms模具包括一个电解液框和若干均混液晶框,电解液框与均混液晶框均为上下贯通的框型结构,紧密粘接于基底上的同一面,分别与基底形成开口向上的电解液槽与均混液晶槽,均混液晶槽的高度低于电解液槽且均设置于其内部,均相溶液置于若干均混液晶槽内,电解液层置于基底和半导体层之上且位于电解液槽内部并淹没均混液晶槽,均相溶液被加热时,其中的液晶从向列相转变为各向同性以释放包裹着的微液滴中的化学物质至电解液层中,加热方式包括直接加热、焦耳热和/或光热效应。

7、在本发明提供的化学调节的仿生伤害感觉系统中,还可以具有这样的特征:其中,栅极和用于将源极连接漏极的作为沟道的半导体层均位于基底上且位于电解液槽内部,通过施加栅极电压刺激引起源极和漏极之间沟道的电流变化,且在电解液层中不同浓度的化学物质中引起源极和漏极之间沟道的电流变化和保持时间不同。

8、在本发明提供的化学调节的仿生伤害感觉系统中,还可以具有这样的特征:其中,加热线圈与源漏栅电极电连接且位于均混液晶槽下方并用于加热均相溶液,化学调节的仿生伤害感觉系统具有反馈调节功能,漏极的电流经过运算放大器输出至加热线圈,达到阈值后加热线圈触发液晶相转变释放内部包裹着的微液滴中的化学物质从而影响源极和漏极之间的电流大小,增强或抑制痛觉。

9、在本发明提供的化学调节的仿生伤害感觉系统中,还可以具有这样的特征:其中,化学物质包括na+、k+、ca2+和/或多巴胺,表面活性剂为包括十二烷基硫酸钠和十六烷基三甲基溴化铵中的任意一种,表面活性剂的浓度为1~9m mol/l。

10、本发明还提供了一种化学调节的仿生伤害感觉系统的制备方法,具有这样的特征:用于制备上述任一项的化学调节的仿生伤害感觉系统,包括以下步骤:步骤一,在基底上,借助正胶曝光后形成的高精度模版制备源漏栅电极,再对基底表面进行氧等离子体处理,然后将半导体溶液旋涂在基底、源极和漏极之上,作为源极和漏极的沟道,再退火;

11、步骤二、将固化好的pdms模具切出所需的上下贯通的电解液框和若干均混液晶框再分别粘接于基底的同一面上形成开口朝上的电解液槽和若干均混液晶槽,

12、其中,均混液晶槽的高度低于电解液槽且均设置于其内部;

13、步骤三,将液晶和微液滴共混形成均相溶液并倒入均混液晶槽,将电解液倒入电解液槽内且电解液淹没均相溶液;

14、步骤四,将源电极连接电源,漏电极连接运算放大器,用于放大输出电流驱动反馈回路中的液晶释放。

15、在本发明提供的化学调节的仿生伤害感觉系统的制备方法中,还可以具有这样的特征:其中,步骤一中,源漏栅电极通过旋涂或蒸镀方式制备,氧等离子处理包括等离子清洗与臭氧清洗,半导体溶液旋涂于基底上的转速为800-3000r/min,旋涂时间为10-60s,退火条件为置于手套箱热台100-140℃退火30-60min。

16、发明的作用与效果

17、根据本发明所涉及的一种化学调节的仿生伤害感觉系统,因为化学调节的仿生伤害感觉系统包括:基于液晶的化学物质释放系统,包含pdms模具与均相溶液,其中,均相溶液包含液晶和微液滴,微液滴包含化学物质与表面活性剂;基于有机晶体管的突触器件,化学物质释放系统设置于突触器件上,微液滴中的化学物质的释放引起突触器件内电流的变化以模拟痛觉的增强或抑制;运算放大器,连接突触器件,用于放大突触器件的输出电流;以及加热线圈,用于接收运算放大器的输出电流并加热均相溶液中的液晶至阈值。所以,本发明的化学调节的仿生伤害感觉系统兼具化学感知、调节功能以及化学物质可控释放的优点。


技术特征:

1.一种化学调节的仿生伤害感觉系统,其特征在于,包括:

2.根据权利要求1所述的化学调节的仿生伤害感觉系统,其特征在于:

3.根据权利要求2所述的化学调节的仿生伤害感觉系统,其特征在于:

4.根据权利要求2所述的化学调节的仿生伤害感觉系统,其特征在于:

5.根据权利要求4所述的化学调节的仿生伤害感觉系统,其特征在于:

6.根据权利要求5所述的化学调节的仿生伤害感觉系统,其特征在于:

7.根据权利要求6所述的化学调节的仿生伤害感觉系统,其特征在于:

8.根据权利要求1所述的化学调节的仿生伤害感觉系统,其特征在于:

9.一种化学调节的仿生伤害感觉系统的制备方法,其特征在于,用于制备权利要求1-8中任一项所述的化学调节的仿生伤害感觉系统,包括以下步骤:

10.根据权利要求9所述的化学调节的仿生伤害感觉系统的制备方法,其特征在于:


技术总结
本发明提供了一种化学调节的仿生伤害感觉系统,包括:基于液晶的化学物质释放系统,包含PDMS模具与均相溶液,其中,均相溶液包含液晶和微液滴,微液滴包含化学物质与表面活性剂;基于有机晶体管的突触器件,化学物质释放系统设置于突触器件上,微液滴中的化学物质的释放引起突触器件内电流的变化以模拟痛觉的增强或抑制;运算放大器,连接突触器件,用于放大突触器件的输出电流;以及加热线圈,用于接收运算放大器的输出电流并加热均相溶液中的液晶至阈值。本发明还提供了一种化学调节的仿生伤害感觉系统的制备方法。本发明的化学调节的仿生伤害感觉系统兼具化学感知、调节功能以及化学物质可控释放的优点,为基于化学信号传输、调节的仿生感觉系统的发展以及进一步的人机交互提供了新技术。

技术研发人员:黄佳,孙同睿,徐洋
受保护的技术使用者:同济大学
技术研发日:
技术公布日:2024/5/29
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