低功耗，高放大率生物(wù)可(kě)穿戴设备重塑有(yǒu)机晶體(tǐ)管

2021-03-16

在具有(yǒu)生物(wù)指示剂的可(kě)穿戴设备中，低功耗/高性能(néng)的折衷是一个细微的设计问题-尤其是因為(wèi)血压或脉搏率的变化通常等于非常小(xiǎo)的電(diàn)信号。為(wèi)了解释和區(qū)分(fēn)信号，EE需要显着放大这些信号，当使用(yòng)低電(diàn)源電(diàn)压以节省功率时，这变得更加困难。  

生物(wù)信号的标准处理(lǐ)步骤。 

直面这个问题的方法是，寺崎研究所的研究人员对一种经过深入研究的设备-有(yǒu)机電(diàn)化學(xué)晶體(tǐ)管（OECT）进行了修改，从而為(wèi)可(kě)穿戴设备带来了低功耗和高放大倍数。  

什么是有(yǒu)机電(diàn)化學(xué)晶體(tǐ)管？

OECT是晶體(tǐ)管的一种独特形式，其工作原理(lǐ)与典型MOSFET相似，但有(yǒu)很(hěn)大不同。OECT的器件结构类似于MOSFET的结构，其漏极和源极端子之间具有(yǒu)导電(diàn)沟道，而栅電(diàn)极则用(yòng)于调节沟道電(diàn)流-全部建立在p型或n型衬底上。

但是，两者的不同之处在于闸口发生的情况。 

OECTs的设备布局和工作原理(lǐ)。

与在栅极和沟道之间具有(yǒu)氧化物(wù)绝缘體(tǐ)的MOSFET不同，OECT在两者之间具有(yǒu)電(diàn)解质（通常是凝胶）。MOSFET使用(yòng)施加的電(diàn)压来积累载流子并感应出沟道，而OECT中施加的栅极電(diàn)压则用(yòng)于将离子从電(diàn)解质驱动到沟道和主體(tǐ)中。 

MOSFET与OECT。

这是OECT的工作原理(lǐ)，其中离子与通道中的载流子相互作用(yòng)，以调节器件的特性和通道電(diàn)流。  

為(wèi)什么OECTs吸引医學(xué)设计

与用(yòng)于医疗应用(yòng)的标准FET相比，OECT是一种非常规设备，具有(yǒu)许多(duō)优点和一些缺点。 

由于電(diàn)解质中的离子会穿透整个基板，因此OECT具有(yǒu)极高的栅极電(diàn)容-比最新(xīn)的高k介電(diàn)FET高三个数量级。这种高電(diàn)容的结果是能(néng)够在非常低的電(diàn)压（低至〜0.5 V）下工作并表现出极高的跨导。

这些功能(néng)在一起意味着OECT可(kě)以满足超低功耗医疗设备的需求，同时实现高水平的放大。

除此之外，这些设备还可(kě)以单独用(yòng)作压力传感器，物(wù)理(lǐ)施加到门上的压力将压缩電(diàn)解质，将离子发送到基板中并调节電(diàn)流。这一直是研究的重点，特别是对于压力可(kě)能(néng)很(hěn)小(xiǎo)的生物(wù)测量。 

OECT的跨导方程。

但是，OECTs的主要缺点是所使用(yòng)的電(diàn)解质通常是水溶液，通常不能(néng)很(hěn)好地响应外部压力。对于经常测量體(tǐ)压作為(wèi)其功能(néng)一部分(fēn)的医疗设备中的OECT，这是一个限制因素。  

研究人员修改了OECT的放大和功率 

為(wèi)了应对OECTs的这种局限性，寺崎研究所的一组研究人员提出了对标准OECTs的重要修改。

施加到浇口的压力导致离子水凝胶压缩并将离子发送到通道中。 

正如该研究的出版物(wù)中所解释的那样，研究人员创建了一种OECT，该OECT使用(yòng)“离子水凝胶”作為(wèi)浇口处的電(diàn)解质，而不是传统的水溶液。这种带電(diàn)的水凝胶最终是理(lǐ)想的解决方案-一种功能(néng)性電(diàn)解质，对外部压力敏感，可(kě)以进行离子传输并在低功率下获得高增益。 

最终的生物(wù)特征压力传感器。

所得器件显示在低于1 V的電(diàn)压下工作，功耗约為(wèi)10 uW，压力敏感度為(wèi)1-10 kPa。