科学家们重新构想了用于低功率、高放大的生物可穿戴设备的有机晶体管

在具有生物指标的可穿戴设备中，低功耗/高性能的权衡是一个微妙的设计问题——尤其是因为血压或脉搏频率的变化往往相当于非常小的电子信号。为了解释和区分信号，电气工程师需要显著放大这些信号，当使用低电源电压以节省电力时，这变得更加困难。

生物信号的标准处理步骤。图片由Bolanos-Perez et al。

面对这个问题，寺崎研究所的研究人员已经做出了对有机电化学晶体管(OECT)进行了改进，为可穿戴设备带来低功率和高放大。

什么是有机电化学晶体管?

OECT是晶体管的一种独特形式它的工作原理与典型的MOSFET相似，但却非常不同。OECT的器件结构类似于MOSFET，在漏极和源极之间有一个导电通道，并有一个栅电极来调制通道电流——所有这些都建立在p型或n型衬底上。

然而，两者的不同之处在于门口发生的事情。

介绍了器件的布局和工作原理。图片由Friedlein et al。

与MOSFET不同，在栅极和通道之间有氧化物绝缘体，而OECT在两者之间有电解物质(通常是凝胶)。由于MOSFET使用施加电压来积累载流子并诱导通道，在ect中施加的栅极电压用于驱动电解质中的离子进入通道和本体。

MOSFET和OECT。图片由Friedlein et al。

这就是OECT的工作原理，离子与通道中的载流子相互作用，从而调节设备的属性和通道电流。

为什么OECTs对医疗设计有吸引力

一个非常规的装置,与标准的FET相比，OECT在医疗应用上有很多优点，也有一些缺点。

由于电解质中的离子穿透整个衬底，ots具有极高的栅电容——比最先进的高k介质场效应晶体管高出三个数量级。这种高电容的结果是在非常低的电压(低到0.5 V)下工作的能力，并表现出极高的跨导。

总之，这些特性意味着OECTs在实现高水平放大的同时，能够满足极低功耗医疗设备的需求。

除此之外，这些设备本身也可以作为压力传感器，物理施加在栅极上的压力将压缩电解液，将离子送入衬底并调制电流。这一直是一个研究重点，特别是在压力非常小的生物测量中。

物体的跨导方程。使用公式Friedlein et al。

然而，OECTs的主要缺点是使用的电解质通常是水溶液，通常对外部压力反应不好。这是一个限制因素，在医疗设备的OECTs通常测量身体压力作为其功能的一部分。

研究人员为了放大和功率而修饰物体

为了应对OECTs的这种局限性，寺崎研究所的一组研究人员提出了一种对标准OECTs的关键修改。

施加在栅极上的压力导致离子水凝胶压缩并将离子送入通道。图片由杨志等。

这项研究的一份出版物解释说，研究人员创造了一种使用“离子水凝胶”作为门口电解质的OECT而不是传统的水溶液。这种带电的水凝胶最终成为完美的溶液——一种对外部压力敏感反应的功能电解质，允许离子运输，并在低功耗下实现高增益。

产生的生物压力传感器。图片使用的礼貌寺崎研究所

结果显示，该装置工作在电压低于1 V，功耗约为10 uW，压力灵敏度为1-10 kPa。

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你在医疗器械行业工作吗?如果是的话，你是如何解决当今生物医学设备中固有的低功耗/高性能折衷问题的?请在下面的评论中分享你的经验。