随着物联网（IoT）的快速发展，可穿戴传感器在个人日常健康监测中发挥着越来越重要的作用。信噪比（SNR）是衡量各类可穿戴传感器的关键性能指标。为了提高信噪比，一方面可以采用优质的传感材料或元件，另一方面可以使用信号放大和噪声抑制电路。然而，这些传感元件和电路通常在有源采样模式下运行，需要频繁采集数据，从而导致功耗较高。因此，无需外部电源且内嵌信号放大功能的柔性可穿戴传感器引起了人们的广泛关注。
据麦姆斯咨询报道，近期，北京大学深圳研究生院、中山大学等机构的研究团队联合提出一种柔性压电双极型晶体管（PBJT），可作为一种自驱动且高灵敏度的电流和/或电压介导的压力传感器。PBJT利用固有的晶体管放大效应，在传感模式下实现了前所未有的高灵敏度，分别为139.7 kPa⁻¹（基于电流）和88.66 kPa⁻¹（基于电压）。此外，PBJT在动态刺激下（例如从飞舞的蝴蝶到轻柔的手指触摸）的响应时间不超过110 ms。PBJT不仅在灵敏度方面取得了突破，还在自驱动和自主方面也取得了进步，未来有望在压力传感和其它物联网应用中展现巨大潜力。相关研究成果以“Organic-inorganic hybrid piezotronic bipolar junction transistor for pressure sensing”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
这项研究工作展示了一种基于PBJT的压力传感和能量收集相结合的新型器件，具有机械驱动的有机-无机杂化垂直堆叠n（集电极）-p（基极）-n（发射极）结构。PBJT作为一种信号介导器件（提供电流和电压），其集成架构中嵌有信号整流/放大功能。与简单地将两个独立的p-n结二极管背靠背放置不同，PBJT的基极是共用的，两个压电异质结二极管形成一个集成的双极型晶体管。因此，PBJT所获得的信号与压电势极化方向无关，可以得到很好的调节。此外，重要的是，PBJT还能提供输入/输出信号格式变化，并具有快速响应。
图1 PBJT制造和表征
图2 PBJT能带图、工作机制及其电阻和电容电阻等效电路
PBJT不仅可以作为无源的高灵敏度压力传感器，还可以作为适宜的纳米发电机。从传感角度来看，PBJT作为一种无源器件，具有前所未有的高灵敏度。它能够在宽范围内检测超低动态刺激（例如从飞舞的蝴蝶到轻柔的手指触摸），并且可以在三种不同的模式下运行（关闭状态、饱和状态和开启状态）。从能量收集角度来看，PBJT作为可穿戴能量收集器，能够产生8.3 µW/cm²的峰值功率密度（将PBJT附着在鞋垫上，在100次轻柔步行中产生此功率），这对于一些低功耗电子设备而言，具有巨大应用前景。
图3 PBJT作为压力传感器及其动态模式下的特性
图4 PBJT作为传感单元的实验分析
图5 PBJT传感单元/阵列与带电/非带电物体的相互作用
这项研究工作提出了一种压电双极型晶体管的创新策略，所制备的PBJT结合了压力传感和能量收集功能，实现了高灵敏度和自驱动特性。这项研究为设计自供电和信号自放大压力传感器铺平了道路。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00699-0
延伸阅读：
《First Sensor工业级STARe压力传感器芯片产品分析》
《Merit Sensor压力传感器及MEMS芯片产品分析》
《博世气压传感器BMP581产品分析》
