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为解决柔性集成电路在生物信号处理中因材料均匀性和电路集成不足的问题，研究人员开发基于碳纳米管（CNTs）的表皮放大器。利用 HITDC 技术实现 CNT 晶体管高均匀性（阈值电压标准差 38 mV），放大器获超 341 倍直流增益等性能，助力可穿戴生物电子设备发展。
在医疗健康领域，可穿戴设备对人体生理信号的精准监测需求日益迫切。然而，传统刚性硅基电路因无法与皮肤贴合，难以稳定采集体表微弱生物信号（微伏至毫伏级），且现有柔性放大器存在材料均匀性差、增益带宽不足、工作电压高等问题，制约了高保真生理信号处理的发展。如何开发兼具高柔性、高集成度和高性能的表皮电子器件，成为连接电子系统与人体生物界面的关键挑战。
为突破这一技术瓶颈，国内研究团队开展了基于碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）的高性能表皮放大器研究。CNTs 凭借高载流子迁移率、柔韧性及互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容性等优势，被视为下一代柔性电子的理想材料。但此前 CNT 基柔性器件在模拟电路中的应用受限于器件均匀性不足和低功耗设计难题。该团队致力于通过材料制备、器件工程和电路设计的协同创新，构建能满足生理信号放大需求的新型表皮集成系统，相关成果发表在《Applied Materials Today》。
研究采用的关键技术方法包括：
- 匀化浸没时间浸涂法（Homogenized Immersion Time Dip-Coating, HITDC）：通过基板垂直旋转 180° 并重复浸涂流程，优化 CNT 密度分布，提升器件均匀性。
- 六甲基二硅氮烷（HMDS）后处理：钝化器件表面，降低 CNT 晶体管的迟滞效应，增强模拟电路工作稳定性。
- 自举负载拓扑结构（bootstrapped load topology）：结合交流耦合负载设计，优化放大器的增益和带宽性能。
研究结果
匀化浸没时间浸涂法实现 CNT 晶体管高均匀性
传统浸涂法制备 CNT 随机网络薄膜时，密度分布不均制约器件一致性。HITDC 技术通过两次正向浸涂后旋转基板再次浸涂，使 CNT 密度均匀性显著提升。经该工艺制备的 CNT 薄膜晶体管（TFTs）阈值电压标准差仅 38 mV，超越此前报道的柔性 CNT 器件，接近工业硅晶体管水平，为高性能模拟电路集成奠定基础。
低电压下实现高增益与宽带宽性能
在电路设计中，团队对比了二极管负载、零 Vgs负载和交流耦合负载三种拓扑结构。结果表明，采用交流耦合负载的反相器在 4 V 供电电压下，直流电压增益超 341 倍，交流测量中获得 41 dB 增益和 200 kHz 增益带宽积（Gain-Bandwidth Product, GBP），同时满足低功耗要求。该性能与人体生理信号带宽（如心电图信号）高度匹配，验证了其实际应用潜力。
心电图信号放大验证实际应用价值
通过实际生物信号采集实验，该 CNT 基放大器成功实现心电图（Electrocardiogram, ECG）信号的放大处理。结果显示，放大器能有效提取体表微弱电信号并抑制运动噪声，证明其在可穿戴生理监测中的可行性，为高保真生物信号处理提供了新方案。
研究结论与意义
本研究通过 HITDC 技术突破 CNT 器件均匀性瓶颈，结合拓扑优化设计，构建了兼具高增益（超 341 倍）、宽带宽（200 kHz GBP）和低功耗（4 V 供电）的 CNT 基表皮放大器。其性能不仅超越多数已报道的柔性放大器，更通过 ECG 信号放大实验验证了生理监测场景的实用性。该成果为可穿戴生物电子设备的发展提供了关键技术支撑，有望推动下一代生理信号放大技术和即时诊断（point-of-care diagnostics）的革新，加速表皮电子学在个性化医疗、智能诊断等领域的落地应用。同时，CNT 与 CMOS 技术的兼容性为未来低功耗柔性集成电路的大规模集成开辟了新路径，为解决刚性电子与柔性生物界面的兼容性难题提供了新思路。
