Электроника на одной нитке: транзисторы, резисторы, датчик и усилитель без плоской платы
Нитевая аналоговая схема с органическими электрохимическими транзисторами достигла усиления 34 В/В в двух каскадах, хотя её единичная частота составляет около 15 Гц. Конструкцию формируют на PCL-нити диаметром 0.19 мм, а ионный затвор из желатинового eutectogel сохраняет работоспособность при изгибе. Ограничение по полосе сразу очерчивает класс сигналов, для которых такая электроника пригодна.
В ACS Applied Materials & Interfaces опубликована работа группы Tufts University о свободно формируемых аналоговых схемах, собранных непосредственно на текстильной нити. На гибкой PCL-основе размещены проводники, p-канальные органические электрохимические транзисторы, резисторы и тензодатчик. В демонстраторе нить усиливала сигналы мигания и дыхательных движений.
Основой служит непрерывная PCL-нить диаметром 0.19 ± 0.05 мм. После плазменной активации и силанизации её засеивают наночастицами золота и покрывают Au химическим осаждением. Эластомерная 3D-маска локально закрывает участки нити и задаёт разрывы металлизации для истока, стока и затвора. Среднее сопротивление золочёного проводника составило 1.9 ± 0.1 Ом/см. В зазор исток—сток шириной 0.59 ± 0.07 мм наносят PEDOT:PSS, формируя канал транзистора.
Затворный диэлектрик выполнен в виде желатинового eutectogel на смеси хлорида холина, этиленгликоля и воды в молярном соотношении 1:2:1. В состав введено 20 мас.% желатина. Для геля заявлены модуль 26 кПа, ионная проводимость 5.2 мСм/см, предельное растяжение 270% и вязкость разрушения 68 кДж/м³. Такой электролит удерживает ионы в мягком объёме и сохраняет форму дольше обычных гидрогелей. При повреждении гелевого участка его фрагменты можно совместить; нагрев восстанавливает механическую целостность и ёмкостную связь затвора. Этот механизм относится к гелю: разрезанный проводник из PCL, золота и PEDOT:PSS самовосстановлением не обладает.
Транзистор работает в depletion-mode. Положительное напряжение на затворе вводит катионы холина в PEDOT:PSS и дедопирует канал, уменьшая ток. Для 16 образцов средняя крутизна составила 9 ± 5 мС, лучший экземпляр достиг 16 мС, типичное отношение ON/OFF находилось около 10². Характеристики получены при рабочих напряжениях порядка 1 В, что критично для мягкой и носимой электроники.
На одной нити реализован common-source усилитель с двумя нитяными резисторами PEDOT:PSS. При VDD = −1.5 В измерено усиление 3.14 В/В. При VDD = −8.8 В схема дала 14 В/В на 500 мГц и 20 В/В на 50 мГц; единичная частота оказалась около 15 Гц. Двухкаскадный вариант достиг 34 В/В на 500 мГц. Такая полоса соответствует дыхательным и медленным механическим сигналам, однако для ЭМГ, широкополосного ЭКГ и тем более радиотракта её недостаточно.
Датчик деформации изготовлен отдельно из эластичной нити с углеродными чернилами и покрытием Ecoflex. Его gauge factor составил 1.2–2.1. Связка датчика с нитяным усилителем зарегистрировала моргание и дыхание, однако измерительная схема включала внешний потенциометр. Полностью автономная система из одной нити в опыте не показана.
Механическая свобода конструкции также имеет конкретные границы. Продемонстрированное 16-кратное удлинение получено распрямлением спирально уложенной нити с 8 до 129 мм; оно не описывает растяжение активного транзисторного стека на 1600%. При радиусах изгиба около 6 мм электрические параметры уже заметно меняются. Авторы показали стабильность более месяца в лабораторной атмосфере, с деградацией к концу испытания. Данных о стирке, поте, истирании, стерилизации и длительном контакте с кожей пока нет. Цитотоксичность eutectogel проверена in vitro на фибробластах 3T3, что не подтверждает биосовместимость полного стека для имплантации или хирургических нитей.