基于OECT反相器动态调制系统的原位电生理监测新策略

《Advanced Science》：Dynamic Modulation of OECT-Based Inverters for In Situ Electrophysiological Monitoring

本文报道了一种用于有机电化学晶体管（OECT）反相器的动态增益调制系统，通过实时扫描电压传输特性（VTC）并主动调整工作点电压（VIN），使其始终维持在最大电压增益点（Vm），从而克服了OECT因电化学不稳定性导致的性能衰减。该系统将电压增益稳定在34.58 V V?1以上，显著提升了心电图（ECG）和眼电图（EOG）等生理信号监测的信噪比（SNR>32.59 dB）与长期（>90分钟）可靠性，为可穿戴生物电子器件提供了高精度传感新范式。

　　

摘要

有机电化学晶体管（OECT）及其相关电路因其工作电压低于1伏特（sub-1 V）、高跨导（g_m）、柔性和生物相容性等优点，在生物电子学、生物传感器和神经形态电子学领域展现出广阔前景。然而，在反复的氧化还原过程中，复杂的微观结构变化和不必要的副反应会引发操作不稳定性，对实现可靠、稳健的功能构成了巨大挑战。本文提出了一种动态调制系统，能够主动控制基于OECT的反相器的工作条件，并通过实时电压传输特性扫描和工作电压调整来维持高电压放大能力。特别是在系统调制下，反相器保持了高电压放大能力，电压增益大于34.58 V V^?1。而在无调制情况下（即固定输入电压下），电压增益迅速恶化至3.11 V V^?1。此后，制备了可拉伸互补电路并将其与该系统集成，实现了对眼电图（EOG）的高保真原位监测，信噪比大于32.59 dB，持续时间超过90分钟，从而建立了一种可靠的可穿戴生物传感方法。这项工作为实现稳定性较差的生物电子器件的高度稳定运行提供了一种新策略。

1 引言

OECTs在生物电子学、生物传感器和神经形态电子学中展示了广泛优势。因此，OECTs及其相关电路已证明能够高精度监测多种生理信号，包括脑电图（EEG）、心电图（ECG）、眼电图（EOG）和肌电图（EMG）等，加速了可穿戴医疗诊断的发展。尽管前景广阔，但基于OECT的生物信号采集面临两个关键限制。首先，OECTs的输出电流范围（pA至mA）超过了传统模数转换器（ADC）的限制，需要基于跨阻放大器的转换，这会通过分立元件（电阻/电容/运算放大器）引入噪声惩罚，降低采集精度。其次，操作不稳定性和较差的存储可靠性阻碍了电子兼容性，限制了广泛采用和商业化。

因此，基于OECT的反相器，尤其是互补反相器，为输出电流范围挑战提供了理想的解决方案。通过利用其线性区（过渡区）的高电压增益，它能够在低电源电压（V_DD < 1 V）下有效放大弱输入信号。与单个OECT相比，互补反相器表现出更优越的性能，其直接电压信号输出与ADC采样兼容，显著降低了系统热噪声干扰。此外，高电压增益使其在过渡范围偏置反相器时，成为放大小生理信号的理想选择。这些特性使得基于OECT的反相器成为生理信号检测的理想平台。

然而，用于生物电信号传感的互补反相器仍然面临稳定性瓶颈。由于OECT沟道离子掺杂/去掺杂过程中的电化学副反应和电流应力效应，OECT的性能退化速度比传统晶体管快得多。具体来说，这些现象会引起有机混合离子电子（半）导体（OMIEC）沟道的微观结构和化学组成的不可逆降解，导致OECT转移特性的持续漂移。因此，观察到电压传输特性（VTCs）的复杂偏移以及增益系数的波动。因此，在固定偏置输入电压（V_IN）下，不可能使晶体管稳定地工作在过渡区。因此，对生理信号的放大效率显著降低。

本文开发了一种动态调制系统，以确保反相器始终在产生最大电压增益（V_m）的电压附近工作。在此过程中，系统首先通过由基于OECT的反相器组成的自检路径扫描VTC来定位V_m，随后控制V_IN以匹配识别到的V_m，并通过生理信号检测通路在此优化工作条件下放大生理信号。这种检测-控制-放大闭环反馈系统在整个测量过程中连续运行。特别是，动态调制系统的引入通过保持电压增益大于34.58 V/V来维持高电压放大能力。而在无控制情况下（反相器在固定V_IN下工作），电压增益在10分钟内迅速下降至3.11 V/V。此外，制备了可拉伸互补电路并将其与该系统集成，实现了对人EOG信号的高保真原位监测。这项工作不仅减轻了OECT电化学不稳定性带来的信号衰减，还进一步为可穿戴电子设备中的精密传感建立了新范式。

2 结果与讨论

2.1 基于OECT的互补反相器的性能

互补反相器由两个垂直堆叠的OECT组成，其中p型聚合物gDPP-g2T基OECT位于n型聚合物BBL基OECT之上。电路配置包括：底部接地电极作为地（GND），中间输出电极作为输出电压（V_OUT），顶部电极作为V_DD，以及浸入电解质中的银/氯化银（Ag/AgCl）电极作为V_IN。电学表征通过探针台与外围电路接口进行。p型和n型OECT分别显示出2.59 ± 0.31 mA和2.42 ± 0.24 mA的导通电流（I_ON），以及平衡的跨导（g_m），分别为13.76 ± 3.71 mS和7.41 ± 1.58 mS。此外，两种类型的OECT的开关速度在1-13 ms范围内，p型和n型OECT的开启电压（V_ON）分别为0.08 V和-0.17 V。设计了更大的n型沟道尺寸以增强I_ON和g_m，从而与p型OECT平衡性能。这种平衡的转移特性表明，基于此类p型/n型OECT对的反相器将导致平衡的反相器特性。接下来，表征了反相器的性能，其在0.2-0.6 V的V_DD下表现出明显的开关能力。在V_DD为0.6 V时，实现了大于50 V/V的电压增益和小于1 mW的功耗。此外，反相器的V_m大约在V_DD/2附近，即使在0.2 V的低V_DD下也能实现有效的VTC。此外，反相器显示出小于3 ms的瞬态响应时间（τ_ON = 1.76 ± 0.18 ms, τ_OFF = 2.20 ± 0.28 ms），并且可以在50 Hz频率下工作。

另一方面，此类反相器的VTC和电压增益曲线在重复循环后显示出持续偏移。在此过程中，电压增益在39.05和54.47 V/V之间波动，平均值为42.23 V/V，而V_m从240 mV持续增加到265 mV。这种不稳定性或性能偏移可能源于重复离子掺杂/去掺杂过程中OMIEC沟道的不可逆微观结构和/或化学降解，或操作过程中的电解质蒸发和界面退化。尽管如此，所制造的反相器在较长时间内保持高增益（大于39 V V^?1），并展示了超过10,000个开关周期（循环频率为10 Hz），且V_OUT电平和瞬态时间没有退化，强调了其在实际应用中的可行性。

2.2 用于OECT基互补反相器的动态调制系统

动态调制系统执行连续输出监控和反馈控制的V_IN调整，以维持在最佳V_m（V_m1, V_m2, … V_mn）下的操作。它主要依赖于三个核心部件的顺序操作。首先，信号采集模块作为前端，其中高分辨率24位ADC（AD7768-1）连续捕获互补反相器的V_OUT并将其实时转换为数字信号。数字信号随后传输到处理单元，该单元以STM32H743VIT6微控制器为核心。该单元通过信号分析确定V_m并协调整个优化过程。最后，电压控制模块使用16位DAC（DAC8562）构建，在0-600 mV范围内以1 mV的步长精确调整反相器偏置V_IN，以监测生理电信号。经过一段信号检测时间（时间间隔可根据需要调整）后，系统切换回自检路径以确定V_m（约15秒），然后恢复至信号检测路径。15秒的自检程序不会影响后续信号监测。

为评估系统性能，首先在受控或非受控条件下通过反相器监测模拟ECG信号。如图所示，没有调制系统时，随着监测的继续，观察到信号逐渐衰减和严重的波形失真，信噪比（SNR）从28.98 ± 2.43 dB（第1分钟）下降到12.32 ± 1.13 dB（90分钟后）。相比之下，使用调制系统，可以高保真地监测到高质量的ECG信号，显示出清晰的P波、QRS波群和T波，在连续监测90分钟内保持高信噪比（SNR ≥ 28.73 ± 2.16 dB）。在两种情况下连续监测模拟ECG信号期间的VTCs得到了展示。在此，识别了在连续测试偏置下，有或无调制系统时变化的V_m。值得注意的是，在没有控制的情况下，反相器将在恒定V_IN下偏置。如图所示，施加了260 mV的V_IN。最初，反相器实现了43.92 V/V的高电压增益。然而，由于V_m的偏移，在驱动V_IN下获得的电压增益在10分钟内迅速下降到小于10 V/V，严重影响了目标信号的放大。相反，在动态调制系统的辅助下，V_IN主动变化，通过实时V_m跟踪维持高电压增益（大于34.58 V/V）。为捕获实时人体ECG信号，进一步优化了器件结构——包括图案化半导体的尺寸和沟道区域的封装暴露——以减少寄生电容并提高响应频率。实现了高达135 V/V的电压增益和高达333 Hz的工作频率。随后，在没有调制系统的情况下，捕获的ECG信号随着监测的继续逐渐衰减，并伴有严重的波形失真，显示信噪比从27.15 ± 2.61 dB（第1分钟）下降到8.79 ± 1.23 dB（90分钟后）。相反，使用调制系统，可以记录到长达90分钟的高质量ECG信号（SNR ≥ 27.32 ± 2.93 dB），显示出清晰的P波、QRS波群和T波。此外，通过使用调制系统进行实时人体ECG监测，成功获得了高达41 mV的放大电压变化。

接下来，通过将两个电极贴片（3M 2244）贴在人体眼睛的左右两侧，测量了由眼球左右运动（水平EOG）引起的角膜和视网膜之间的电位差。结果表明，没有调制系统时，信号逐渐衰减，并观察到严重的波形失真，随着监测的继续，信噪比从27.53 ± 2.89 dB（第1分钟）下降到10.58 ± 1.39 dB（90分钟后）。然而，使用调制系统，可以捕获高质量的EOG信号，在连续监测90分钟内具有高信号保真度（SNR ≥ 28.50 ± 3.08 dB）。此外，该系统在监测水平眼动时实现了高达23 mV的放大电压变化。通过动态调制V_m，该系统显著增强了长期生物电信号（ECG/EOG）监测的可靠性和准确性。

2.3 基于OECT的可拉伸电路及原位EOG监测

接下来，制造了基于OECT的可拉伸互补电路，并展示了其在原位EOG监测方面的潜力。为实现可拉伸性，在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上应用了六边形蜂窝网格结构。该设计通过网格单元的弯曲和旋转实现宏观可拉伸性，尽管PET本身不具有延展性。重新设计了整体电路图，确保所有功能层都位于网格结构上，这允许网格有效拉伸，而不会在功能层上引起明显的应变。详细制备过程可在支持信息和方法部分找到。

首先，对反相器配置的比较分析表明，使用不同的电解质和栅极配置，采用网格结构仍然可以获得优异的VTC，且V_m维持在约1/2 V_DD。此外，在0-24%的应变下，p型和n型OECT表明I_ON仅从0.42 ± 0.03/0.28 ± 0.02 mA下降到0.08 ± 0.01/0.21 ± 0.02 mA，同时g_m从3.08 ± 0.24/2.16 ± 0.15 mS下降到1.00 ± 0.12/1.44 ± 0.08 mS。尽管如此，基于OECT的反相器在应变高达24%时仍实现了高电压增益（大于50 V/V）和稳定的V_m。值得注意的是，即使在24%应变下，反相器仍保持低功耗（小于0.1 mW），快速瞬态响应（小于6 ms，τ_ON = 2.89 ± 0.14 ms, τ_OFF = 5.86 ± 0.39 ms），以及在超过20 Hz频率下的稳定运行。超过10,000个稳定开关周期（循环频率为10 Hz）且V_OUT电平没有退化，也揭示了此类可拉伸反相器良好的长期工作能力。该器件在1000次动态拉伸循环（应变0-24%，持续1000秒）中也表现出优异的稳定性，并在20-50°C范围内保持良好的性能，增益从73 V/V增加到89 V/V，证明了在此温度范围内的可靠运行。此后，进一步构建了互补NAND/NOR逻辑门，它们在24%应变下表现出特征的真值表行为。在0.6 V V_DD和0-0.6 V方波V_IN（V_IN1为2.5 Hz，V_IN2为5 Hz）下，NAND门保持逻辑“1”输出，除非两个输入同时达到“1”状态，而NOR门输出仅当两个输入都处于“0”状态时才切换到“1”。

对于原位EOG监测，眼睛和眼睑运动期间典型的眶周应变仍低于15%。选择了24%的可拉伸性余量以超过此应变范围，并具有足够的安全系数，从而确保信号完整性并对运动伪影具有鲁棒性。可拉伸反相器贴片可以轻松定位在右眼的右侧（参考电极位于左眼的左侧），通过动态增益调制系统捕获高保真EOG信号。随后进行了90分钟的原位EOG监测。没有调制系统时，尽管初始峰值约为47 mV，但振幅在第一个间隔后迅速衰减，信噪比从32.93 ± 4.51 dB（第1分钟）下降到12.21 ± 1.28 dB（90分钟后）。相比之下，使用调制系统的水平EOG振幅在整个记录过程中稳定在约48 mV（SNR > 32.53 ± 3.86 dB）。

3 结论

总之，这项工作报告了一种用于原位电生理监测的基于反相器的动态增益调制系统。本文演示的调制系统是通过实时跟踪反相器的V_m作为生理信号监测的工作电压来实现的，这有效地实现了目标信号的长期稳定放大。同时，基于柔性基底（PET）和六边形网络结构架构实现了可拉伸互补电路（反相器、NAND和NOR门），并为90分钟的高保真原位EOG监测提供了支持。这些结果表明，将可拉伸电路与智能调制系统相结合，可以为长期生物电位监测应用提供有效的策略。这项工作也为下一代健康监测和辅助技术提供了新的可能性。

4 实验部分

基于OECT的反相器制造

反相器制造过程始于通过掩模版在预清洁的玻璃基底上热蒸发Cr/Au底部电极（3 nm Cr/50 nm Au），作为GND。随后，通过旋涂（3000 rpm, 1分钟）甲烷磺酸溶解的BBL溶液（15 mg mL^?1），然后浸泡在去离子水中15分钟以去除残留溶剂并用N₂干燥，形成n型沟道。然后使用激光蚀刻（参数：频率500 kHz，功率0.12 W，扫描速度1500 mm s^?1，间距5 μm，1个循环）对沟道进行图案化。蒸发中间Au电极（50 nm）用于V_OUT。对于p型层，旋涂（3000 rpm, 20秒）gDPP-g2T溶液（20 mg mL^?1于氯仿中，含交联剂，质量比10:1），UV交联（365 nm, 450 mW cm^?2, 360秒），并用氯仿清洗。使用相同参数沉积顶部Au电极（V_DD），在上述蒸发过程中基底保持在5°C。最后，通过旋涂（2000 rpm, 1分钟）、软烘烤（95°C, 1分钟）、UV曝光（30秒）、显影（30秒）和IPA冲洗实现SU-8（2002）封装。使用0.01 M PBS电解质和Ag/AgCl浮栅电极进行器件表征。

基于OECT的可拉伸电路制造

反相器：制造涉及在PET基底（0.03 mm）上顺序热蒸发Cr/Au电极。通过旋涂各自溶液（20 mg mL^?1，含交联剂，质量比10:1）后光刻进行p型（gDPP-g2T）和n型（Homo-gDPP）沟道图案化。使用XTPL Delta打印系统（5 μm喷嘴）在栅极上打印银贴片（80 × 80 μm²）并进行激光退火（0.2 W, 100 kHz, 200 mm s^?1, 6个循环）。SU-8（2002）封装遵循上述方案。将PET基底激光图案化（2.5 W, 100 kHz, 200 mm s^?1, 60个循环）成蜂窝状结构。通过沉积聚乙二醇（PEG）-氯化锂（LiCl）电解质并真空干燥（45°C, 1小时）完成器件。NAND和NOR门：逻辑门通过类似的工艺流程在PET基底上制造。电极蒸发后，依次图案化p型（gDPP-g2T）和n型（Homo-gDPP）沟道。如上所述进行银栅极接触和激光退火。使用相同的激光参数制备蜂窝状结构的PET基底。通过沉积PEG-LiCl电解质作为V_IN1和V_IN2输入创建两个独立的V_IN区域，然后真空干燥（45°C, 1小时）。

器件表征

使用0.01 M PBS电解质和Ag/AgCl浮栅电极评估晶体管的转移特性和瞬态响应。基于BBL（gDPP-g2T和Homo-gDPP）的OECT使用连接至半导体参数分析仪（FS-Pro, PDA）的探针台进行表征。使用连接至半导体参数分析仪（FS-Pro, PDA）和直流电压源的探针台测试NAND和NOR逻辑门的功能。通过直流电压源施加恒定的0.6 V V_DD，而由半导体参数分析仪提供V_IN1（2.5 Hz）和V_IN2（5 Hz）的方波输入脉冲（0.0至0.6 V），并实时监测V_OUT。为保持PBS电解质稳定性，测试区域覆盖PDMS模具以尽量减少溶剂蒸发。所有实验均在环境条件下进行。

人体EOG/ECG监测

一名22岁健康男性参与了实验，所有测试程序均在无任何外部刺激的情况下安全进行。实验前，对受试者进行了实验规程培训，包括水平眼动，并被告知不要说话和有任何头部运动，以避免其他身体运动和EOG信号的干扰。对于离位监测，将一次性电极贴片（3M 2244）分别贴在人体眼睛的左右两侧。然后反相器通过探针台连接到外围电路系统。左侧电极贴片连接到ADC端子，右侧电极贴片直接连接到所述反相器的V_IN。V_DD由动态增益调制系统供电。反相器的GND端子连接到控制电路板的GND，与其他组件共享一个公共GND。反相器和DAC都连接到模拟地（AGND），而主控单元则与数字地（DGND）接口。ADC的模拟前端使用AGND，而其数字通信引脚连接到DGND。AGND和DGND通过一个串联电阻耦合，以最小化数字到模拟信号的干扰。随后，在放松状态下，要求受试者水平注视，然后要求其眼睛向右移动再向左移动。在测量过程中重复此过程。通过使用动态增益调制系统监测V_OUT来记录放大的EOG信号。对于实时体外ECG监测，将两个电极贴片置于乳头下方2厘米处，用医用胶带固定以保持稳定接触并最小化运动伪影。选择体脂率低的志愿者，并指示其保持舒适坐姿，平稳呼吸。皮肤使用肥皂和酒精清洁进行预处理，然后进行温和去角质。随后进行与离位测量相同的测试规程。对于原位EOG监测，通过采用PBS电解质将反相器附着在人体眼睛的左侧。此外，首先通过焊膏将连接系统的外部铜线分别固定到反相器的V_DD、V_IN、V_OUT和GND的电极引线上，然后滴涂银浆并真空干燥（80°C, 2小时）。随后，进行与离位监测相同的测试程序。

SNR计算

为了计算有和无动态增益优化系统时采样信号的SNR，在应用0.05 Hz高通滤波器处理基线漂移后，计算0.05至30 Hz频率范围内的有效功率，以及大于30 Hz频率的噪声功率。随后，使用获得的信号功率和噪声功率计算SNR。

统计分析

通过四分位距（IQR）和1.5倍IQR排除具有明显异常值的数据。手稿中的数据以平均值±标准差（SD）表示。每次统计分析