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太原理工大学桑胜波团队 Nano Res.:基于P3HT有机薄膜晶体管的传感-存储单片集成系统用于可穿戴生理监测

2026-05-29 01:15:29

第一作者：Yuwen Li， Qiang Li

通讯作者：Qiang Li，Tsuyoshi Minami，Shengbo Sang，

通讯单位：太原理工大学

一、研究背景

可穿戴健康监测系统需要同时具备实时生理信号采集和存储处理能力。传统的刚性硅基存储器与柔性传感器混合集成存在杨氏模量失配、界面应力集中、互连复杂等问题，影响系统柔性和长期稳定性。有机浮栅晶体管存储器具有本征柔性、溶液加工兼容性和信号放大能力，是理想的柔性存储单元。本文通过全溶液旋涂工艺，将P3HT基柔性浮栅OTFT存储器与OTFT压力传感器单片集成在同一PET柔性衬底上，构建了感知-存储一体化系统，实现了生理信号采集、ASCII编码存储和蓝牙无线传输。

二、研究要点

感知-存储单片集成：将OTFT压力传感器与1×9浮栅OTFT存储器阵列集成在同一PET衬底上，避免了刚-柔混合集成的机械失配和复杂互连。
压力传感器性能：检测范围0–40 kPa，响应时间34 ms，灵敏度1.38 kPa⁻¹，弯曲5000次和-20至60°C温度范围内性能稳定；可贴附于手指关节、手腕和喉咙，监测弯曲角度和间歇性咳嗽。
浮栅存储器性能：±80 V编程/擦写下存储窗口18 V，电荷保持时间>10⁵ s，1000次编程/擦除循环后开关比仍~4.2×10²，弯曲3000次后性能稳定。50个器件统计显示良好批次内一致性。
系统级功能演示：将压力传感器采集的电流信号编码为7位ASCII码（“T”“Y”“U”“T”），存入1×9存储阵列（首两位为校验位“10”），通过蓝牙低功耗模块传输至手机APP实时显示，实现了片上存储与无线可视化。

三、研究方法

器件制备：PET衬底上磁控溅射30 nm Au作为底栅→旋涂PVA（80 mg/mL，500 rpm）作为阻挡层（80°C退火10 min）→喷涂金纳米粒子溶液作为浮栅→CVD沉积Parylene作为隧穿层→旋涂P3HT（8 mg/mL，2000 rpm）作为有源层（80°C退火10 min）→磁控溅射Au源/漏电极（30 nm，沟道长10 mm、宽0.5 mm）。所有退火在高纯氮气手套箱中进行。
结构与形貌表征：TEM和EDS观察金纳米粒子形貌及元素分布。
电学测试：4200-SCS半导体参数分析仪在暗环境下测量输出/转移特性、存储窗口、保持特性和耐久性。压力传感器与存储器的系统集成通过自定义数据采集电路（DAC、ADC、蓝牙模块）和手机APP实现功能验证。

四、图文内容

摘要图

图1 (a) 基于P3HT的浮栅有机场效应晶体管存储器的制备工艺流程。(b) 浮栅有机场效应晶体管存储器的器件结构示意图。(c) 和 (d) 浮栅有机场效应晶体管存储器浮栅层中金纳米颗粒的透射电子显微镜图像。(e) 通过透射电子显微镜获取的金元素能谱分析面分布图。(f) 基于透射电子显微镜图像统计的金纳米颗粒尺寸分布。

图2 (a) 基于P3HT的浮栅有机场效应晶体管存储器的光学图像。(b) 浮栅有机场效应晶体管存储器的输出特性曲线。(c) 浮栅有机场效应晶体管存储器的转移特性曲线。(d) 编程/擦除操作后的转移特性曲线。(e) 浮栅有机场效应晶体管存储器的电荷保持特性。(f) 重复编程/擦除循环下的耐久性性能。(g) 集成在手指上的柔性压力传感器的实物照片。(h) 附着在人体手指关节上的压力传感器在弯曲角度为0°、30°、60°和90°时的电流变化。(i) 压力传感器在重复手指按压下的电流响应。

图3 (a) 浮栅有机场效应晶体管存储器在3000次弯曲循环后存储窗口和电流开关比的变化。(b) 环境温度对浮栅有机场效应晶体管存储器存储窗口和电流开关比的影响。(c) 50个浮栅有机场效应晶体管器件的存储窗口统计分布。(d) 50个浮栅有机场效应晶体管器件的电流开关比统计分布。(e) 压力传感器在5000次弯曲循环后的灵敏度变化。(f) 压力传感器灵敏度随温度的变化。