凭硬实力攻克柔性传感技术瓶颈性难题

　　文／徐　飞

　　柔性传感器正处于市场拓展的前期阶段，在应用端还没有让用户明显感知。但因为在工业、交通、航天和军事等领域具有广阔应用前景，所以柔性传感器行业的发展潜力毋庸置疑。根据市场机构的统计数据，预计在2021—2028 年，全球柔性传感器市场将以6.8% 的年复合增长率快速发展，到 2028 年达到84.7 亿美元的市场规模。

　　在我国，物联网、智能制造、人工智能、航空航天、生命健康以及集成电路等国家重大战略需求领域的快速发展离不开柔性传感器及其相关技术的支撑。然而，我国基础元件技术、芯片技术以及传感系统集成等方面和国际现有水平差距较大，特别是近年来受到发达国家的技术封锁和市场垄断制约，致使核心技术和关键工艺缺失，给我国国防安全和经济发展带来了严峻挑战。电子科技大学自动化工程学院教授、博士生导师黄伟选择在高性能本征柔性场效应管制备技术、原位“传感与放大一体化”集成方法以及免疫复杂应力影响的柔性可拉伸传感技术等方面开展系统研究，力图凭借科研 “硬”实力攻克“柔”难题。

　　拓展思维边界 创新制备技术

　　科研创新，离不开99% 的汗水，也离不开1% 的灵感。 2016 年，黄伟从电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室顺利毕业，荣获博士学位。2017—2021 年在美国西北大学Tobin J. Marks（美国三院院士）和Antonio Facchetti（美国国家发明家科学院院士）两位导师的带领下开展博士后阶段研究工作，后又担任美导师课题组的研究助理教授。在潜心学习和扎实研究过程中，黄伟不断迸发出思维火花，不落窠臼，推陈出新。

　　根据行业发展痛点，黄伟研究了低成本大面积的本征柔性场效应管制备技术。他结合新型制备技术、功能层设计以及微纳叠层结构器件优化，采用与“卷对卷”兼容的低成本大面积溶液制备方法，实现了元器件各功能层及器件整体机械弯折性能的本征提升。

　　他从半导体、介电层等元器件功能层本征结构调控出发，进一步提升超薄功能薄膜和元器件本身的机械应力鲁棒性，拓展了器件的柔性和电学性能可靠性，还兼容了低成本溶液法与大面积制备方法。不仅开发了本征柔性的半导体和介电功能层，同时还探讨了叠层器件柔性集成的关键技术，在卷对卷制备、高效光刻及精密微结构加工等方面具有重要的指导意义。黄伟由此获得了美国专利，并依法授权给Flexterra 公司。这一专利作为该公司在柔性薄膜场效应管中的核心专利，有效支撑了该公司在氧化铟镓锌场效应管方面的产业化。在科研过程中，基于场效应管传感器，他提出了原位“传感与放大一体化”集成方法，大幅度提升传感器的准确度、灵敏度和探测范围。这是因为他发现了沟道界面特性在传感过程中的关键机理，可控调节了目标传感物与沟道载流子的相互作用，在传感器端原位集成了“信号传感”与“信号放大” 功能。这一方法已经获得业内人士广泛认可。

　　基于低成本大面积本征柔性器件制备技术、原位“传感与放大一体化”集成方法，黄伟再接再厉，研究了针对复杂应力具有良好免疫力的柔性可拉伸传感器技术。他进一步结合复合互补电路与应力释放制备工艺，实现了在复杂应力条件下针对关键生理参数的稳定传感信号输出，解决了柔性可拉伸性与传感信号输出稳定性同步提升的难题。特别是基于 “多孔+ 预拉伸”的可拉伸有机场效应晶体管（OECT），不仅在生物信号探测方面具有在复杂应力条件下稳定的传感功能，同时通过合理的器件结构和组分选择，还能够实现人工突触性能的稳定模拟。

　　黄伟充分结合OECT 低驱动电压、低功耗、高跨导及柔性集成的特色，采用一种巧妙且简单的垂直结构，实现了可大规模制备的具有高度匹配P/N 型性能的OECT，有效攻克了该领域器件性能、稳定性及集成度等一系列瓶颈问题。 OECT 将成为未来生物电子、可穿戴电子及神经形态电子的有力竞争者。相关成果发表在Nature 上。

　　聚焦EGT 传感器 推动前沿领域发展

　　黄伟前期的科研工作和成果为现今专注项目的顺利开展打下了坚实的理论和技术基础。仿生的电解质场效应管（EGT）因采用电解质作为介电层，与人体神经和突触的工作原理具有极高的相似性和互容性，具备驱动电压低（< 1V）、生物兼容性好以及跨导高等特点，成为柔性仿生传感器及其技术研究的有力竞争者。

　　基于新型场效应管的传感器以其独特的器件材料结构和工作机理，一方面契合现有成熟的硅基晶体管及其集成技术，另一方面能够实现良好的机械柔性及可拉伸特性，因此在构建柔性传感器及其系统中尤为关键。尤其是其原位“传感与放大一体化”、多参数传感等优势，成为下一代新型传感器及系统研究的重点。

　　我国EGT 的相关研究正在逐步开展，但研究策略仍停留在采用已有器件结构和材料的基础上实现性能的进一步优化，针对新型器件设计和电路集成以及智能化方面的核心研究仍亟待发展。而美、日、西欧的相关研究部门已率先发现 EGT 在生物电子、仿生神经以及人工智能等方面的巨大应用潜力，并已经在化学/ 电学生理信号传感、突触及神经模拟和表皮电子学方面取得了重要突破。

　　“志不立，则天下无可成之事”。黄伟作为有志者，立下了“长志”。为抓住这一新型传感器技术的前沿研究和技术发展机遇，解决器件工作频率和功耗控制的关键科学问题，实现基于EGT 的仿生传感系统集成，黄伟于2021 年6 月正式入职电子科技大学测试技术与仪器研究所，继续深入开展基于柔性低功耗场效应管的仿生智能传感器的关键技术研究，推动生物传感、健康监控、电子皮肤、物联网以及仿生机械等前沿领域发展。

　　黄伟基于对学科发展的洞察和把握，为自己规划了清晰而具体的努力方向。他认为，基于EGT 传感器技术的研究亟需在EGT 工作频率的提升及电路的功耗控制、EGT 仿生传感电路集成、EGT 仿生传感与人工智能算法的融合等方面实现突破。所以黄伟致力于研发低功耗高频谱响应的EGT 传感器，促进EGT 仿生传感电路实现高密度集成，最终实现 EGT 仿生智能传感软硬件融合。

　　科研长路漫漫，黄伟在求索中寻找乐趣，在困难中满怀信心，在成长中思考问题，他选择将自己的人生价值通过学术价值的实现来进行充分表达。在这个华夏儿女团结一心追求“中国梦”实现的新时代，黄伟积极将自己的一份科研力量融入到全体人民汇聚的磅礴力量之中，为中华巨轮乘风破浪、勇往直前而拼搏不已。