В носимых устройствах с биологическими индикаторами компромисс между малым энергопотреблением и высокой производительностью является тонкой конструктивной проблемой, особенно с учетом того, что изменения артериального давления или частоты пульса часто сводятся к очень слабым электрическим сигналам. Чтобы интерпретировать и различать сигналы, ЭЭ должны значительно усилить эти сигналы, что становится более трудным при использовании низких напряжений питания для экономии энергии.
Подходя к этой проблеме напрямую, исследователи из института Терасаки внесли изменения в хорошо изученное устройство, органический электрохимический транзистор (OECT), чтобы реализовать носимые устройства малой мощностью и высоким усилением.
OECT – это уникальная форма транзистора, которая работает по схожим, но очень отличающимся принципам от типичного полевого МОП-транзистора (MOSFET). Структура устройства OECT подобна структуре MOSFET с проводящим каналом между выводами стока и истока и электродом затвора для модуляции тока в канале – все они построены на подложке p-типа или n-типа. Однако разница между ними заключается в том, что происходит у затвора.
В отличие от полевого МОП-транзистора, который имеет оксидный изолятор между затвором и каналом, OECT имеет электролитическое вещество (часто гель) между ними. В то время как MOSFET использует приложенное напряжение для накопления носителей и создания канала, приложенное напряжение затвора в OECT служит для переноса ионов из электролита в канал.
Это принцип работы OECT, где ионы взаимодействуют с носителями в канале, чтобы модулировать свойства устройства и ток в канале.
Нетрадиционное устройство OECT имеет много преимуществ и некоторых недостатков по сравнению со стандартным полевым транзистором для медицинских приложений. Поскольку ионы в электролите проникают через всю подложку, OECT имеют чрезвычайно высокую емкость затвора - более чем на три порядка величины больше, чем у современного полевого транзистора с диэлектриком с высоким k. Результатом такой высокой емкости является способность работать при очень низких напряжениях (до ~ 0,5 В) и показывать чрезвычайно высокую проводимость.
Вместе эти функции означают, что OECT подходят для медицинских устройств с очень низким энергопотреблением, обеспечивая при этом высокий уровень усиления. Помимо этого, эти устройства могут также работать как датчики давления сами по себе, когда давление, физически приложенное к затвору, сжимает электролит, отправляя ионы в подложку и модулируя ток. Это было в центре внимания исследований, особенно для биологических измерений, где давление может быть очень маленьким.
Однако основным недостатком OECT является тот факт, что используемый электролит часто представляет собой водный раствор, который обычно плохо реагирует на внешнее давление. Это ограничивающий фактор для OECT в медицинских устройствах, которые часто измеряют физическое давление как часть своей функциональности. В ответ на это ограничение OECT, группа исследователей из Института Терасаки разработала критическую модификацию стандартных OECT.
Как поясняется в публикации об исследовании, исследователи создали OECT, в котором в качестве электролита на входе используется «ионный гидрогель», в отличие от обычного водного раствора. Этот заряженный гидрогель оказался идеальным решением - функциональным электролитом, который чувствительно реагирует на внешнее давление, позволяя переносить ионы и достигая высокого коэффициента усиления при малых мощностях.
Полученное устройство работает при напряжениях менее 1 В, потребляемой мощности около 10 мкВт и чувствительности к давлению от 1 до 10 кПа.
© digitrode.ru