基于PVDF-ITZO双栅薄膜晶体管耦合的可穿戴压电式喉部运动监测平台

《Polymers》：PVDF-Based Piezoelectric Pressure Sensor for Wearable Throat-Motion Monitoring

　　

压电聚合物（piezoelectric polymers）为将瞬时生物力学变形（transient biomechanical deformation）转化为电信号提供了一条柔性途径，但可穿戴传感还取决于这些高阻抗（high impedance）信号如何与电子读出电路耦合。研究人员提出了一种混合传感平台（hybrid sensing platform），将压电薄膜、铟锡锌氧化物（InSnZnO，ITZO）双栅薄膜晶体管（dual-gate thin-film transistor，DGTFT）以及模拟信号调理（analog signal conditioning）相结合，用于动态力测量（dynamic force measurement）和前颈部运动传感（anterior neck motion sensing）。该聚合物薄膜含有可辨识的机电活性晶体特征（electroactive crystalline features），并在循环加载（cyclic loading）下产生可重复的双极响应（bipolar responses）。耦合器件表现出栅压依赖的漏电流响应（gate-dependent drain current responses），而完整读出电路在0.5–1 N范围内提供4.0 V/N的力-电压灵敏度（force-to-voltage sensitivity）。在0.5 N连续循环加载200 s条件下，输出显示3.12%的变异系数（coefficient of variation）和102.27%的最终与初始响应比（final-to-initial response ratio）。颈部佩戴测量进一步分辨了与咳嗽（coughing）、吞咽（swallowing）及发音“hello”相关的时间特征（temporal signatures）。研究结果展示了一种紧凑的聚合物-晶体管传感架构（polymer-transistor sensing architecture），该架构保留了从受控加载到可穿戴生物力学采集的动态机械信息。

可穿戴机械传感需要将体表变形、压力、振动和位移转化为可测电信号，但传统刚性换能器难以适应曲面和持续运动的生理界面。前颈部由于呼吸、发声、咳嗽和吞咽等活动产生不同幅值与时标的机械信号，其时间结构信息对监测系统的动态响应保持能力提出了很高要求。尽管聚偏氟乙烯（PVDF）等压电聚合物因其柔性和生物相容性成为可穿戴动态力学检测的理想材料，但作为高阻抗动态信号源，其与电子读出电路之间的耦合效率成为制约系统性能的关键瓶颈。此外，现有喉部监测研究往往将材料响应、晶体管接口与模拟读出割裂处理，缺乏对完整机械-电转换路径的协同优化。因此，研究人员亟需在系统层面将压电换能、晶体管耦合与信号调理作为连续功能元件进行一体化设计，以实现高保真的可穿戴前颈部运动监测。

基于上述背景，研究人员开发了一种混合传感平台，将预极化PVDF压电薄膜、铟锡锌氧化物（ITZO）双栅薄膜晶体管（DGTFT）与模拟信号调理电路相集成，构建了从机械变形到压电电位、沟道调制、再到电压输出的完整信号链。该平台在0.5–1 N范围内实现了4.0 V/N的力-电压灵敏度，200 s短期重复性测试中的变异系数仅为3.12%，并能够在前颈部有效分辨咳嗽、吞咽和发音等不同时域特征的信号模式。这项研究建立了一条器件级的机械-电转换路径，将柔性压电材料与氧化物薄膜晶体管技术相结合，展示了高保真可穿戴喉部运动监测的可行性与集成化方案。

研究人员采用的关键技术方法包括：在聚酰亚胺（PI）衬底上制备具有铝（Al）底栅、三氧化二铝（Al₂O₃）底栅介质、ITZO有源层、铟锡氧化物（ITO）源漏电极和二氧化锆（ZrO₂）顶栅介质的双栅薄膜晶体管，通过共溅射锌氧化物（ZnO）与ITO靶材并控制溅射功率、氩氧比例及高温退火工艺获得所需半导体特性；选用预极化PVDF薄膜作为机械换能器，利用热蒸发沉积铝电极并通过导电银浆实现与晶体管顶栅的低温耦合；采用跨阻放大器与电压放大器级联的模拟读出电路对电流信号进行调理；通过X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）对PVDF薄膜的晶相组成与表面形貌进行表征；利用测力计施加可控循环载荷进行标定与重复性测试；最终由单一健康受试者完成前颈部佩戴式喉部运动监测实验。

在材料表征与界面特性方面，研究人员通过X射线衍射（XRD）在PVDF薄膜中观察到位于2θ约18.4°和20.6°附近的衍射特征，分别对应非极性α相和电活性β相的重叠反射，证实了材料具有产生压电响应所需的半结晶结构。原子力显微镜（AFM）与扫描电子显微镜（SEM）显示PVDF原膜表面具有拉长的纹理和局部高度起伏，算术平均高度（Sa）为17.418 nm，均方根高度（Sq）为22.176 nm，这些形貌特征影响了后续铝电极接触均匀性及应力传递效率。

在晶体管电学与机电响应方面，ITZO DGTFT在底栅电压（V_BG）为?20至20 V范围内表现出明显的开启特性，关断态漏电流约1 pA，栅极绝缘性能良好。当PVDF薄膜在1 N循环载荷下产生数十毫伏量级双极电压瞬变时，该压电信号通过顶栅耦合至沟道，引起漏电流变化。研究表明，随着底栅电压从0 V升至3 V，在相同漏源电压（V_DS）下，压电动引起的漏电流响应幅度逐步增大，证实了双栅结构提供了额外的电学调控自由度。

在模拟读出与力-电压标定方面，由跨阻放大器和电压增益级构成的模拟读出电路将晶体管输出的电流信号转换为电压信号，整体系统在0.5–1 N范围内输出可复现的双极波形，且幅度随外力增加。基于20次加载事件的正峰电压平均值进行线性回归，获得力-电压灵敏度为4.0 V/N，决定系数R²达到0.989，验证了系统级定量力测量的线性度与准确性。

在短期重复性方面，研究团队在0.5 N、1 Hz条件下连续循环加载200 s（约200个周期），提取的正峰电压序列变异系数为3.12%，首尾10次事件的平均响应比值为102.27%，表明集成系统在重复机械载荷下保持了稳定且一致的电气输出特性。

在可穿戴喉部运动监测方面，研究人员将聚酰亚胺（PI）封装的传感单元佩戴于受试者前喉部，采集咳嗽、吞咽及发音“hello”的时域响应。咳嗽产生幅度最大、时间最短的显著双极瞬变；吞咽表现为持续时间更长的多相波动；发音则呈现幅度较低、形态规则的周期性响应。定量分析显示，咳嗽、吞咽和发音的平均峰峰值电压分别为6.860 V、2.748 V和0.522 V，对应变异系数为7.25%、6.23%和9.01%，充分说明该平台能够有效区分不同喉部机械活动的特征模式。

研究讨论指出，该集成架构通过顶栅接收压电信号、底栅独立调控工作点的设计，实现了机电信号向电子域的可控转换。尽管单受试者实验已证明该平台可分辨不同喉部活动的差异性时域特征，但皮肤封装-粘合剂界面的接触电效应、导线微运动以及局部接触压力变化仍可能对测量信号产生贡献，这些非压电因素尚未被完全分离。因此，当前结果支持了可穿戴喉部运动传感的可行性，但仍需进一步开展受控实验以区分本征压电响应与运动相关伪影，并评估多受试者、不同佩戴位置及长期使用的可靠性。

本工作展示了一种混合压电传感架构，将预极化聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜、铟锡锌氧化物（ITZO）双栅薄膜晶体管（DGTFT）与模拟读出电路相集成。该集成建立了连续的信号转换路径：机械变形首先转换为压电电位，随后通过顶栅极耦合至晶体管沟道，最终转换为调理后的电压输出。双栅配置为压电信号耦合与晶体管工作点控制提供了互补功能，实现了对动态机械输入之沟道响应的电学调节。集成系统在0.5–1 N的力范围内达到4.0 V/N的力-电压灵敏度，并在重复机械加载下表现出一致的电学行为，200 s重复性测试中的变异系数为3.12%。在可穿戴测量中，该传感器捕获了与咳嗽、吞咽和发声相关的 distinct voltage patterns。信号幅度与时间形态上的差异展示了该集成架构分辨前颈部机械变化的能力。这些发现凸显了将压电换能与基于晶体管的信号调制及模拟调理相结合，用于可穿戴生物力学传感的潜力。本研究建立了在器件层面集成柔性压电材料与氧化物薄膜晶体管技术的方法。后续开发将聚焦于改善传感元件的机械集成、评估多参与者间的信号可重复性，并探究传感器放置位置及运动相关干扰的影响。此类努力将支持开发更为可靠的可穿戴系统，以实现连续的喉部运动监测。