日本大阪大學開發出世界上最輕薄的差分放大器

2020-12-11 環球創新智慧

導讀

據日本大阪大學官網近日報導，該校研究人員成功開發出世界上最薄、最輕的用於生物儀器的差分放大器。這種超薄的柔性有機差分放大器，能以低噪聲水平，精準地監測微弱的生物信號，並且不會讓用戶感受到由貼在身體上的設備引發的任何不適。

背景

從傳統意義上說，醫療保健所用的生物儀器電路是由堅硬的電子器件，例如矽電晶體組成。

（圖片來源：MIT）

可是當與堅硬的電子器件接觸時，柔軟的生物組織例如皮膚很容易紅腫發炎。因此，長時間監測日常生活中的生物信號被證明是困難的。因此，研究人員們往往會通過開發舒適的柔性電子器件來解決這一難題。之前，筆者也介紹過這方面的許多案例。

通過吸收汗液監測身體健康的柔性電子設備（圖片來源：John A. Rogers / 西北大學）

在日本，由於低出生率與人口老齡化，柔性電子器件例如有機電晶體在醫療保健領域的應用一直都在積極提升。與生物組織例如皮膚和器官相容性高的傳感器與電子電路會採用柔軟的有機材料來實現。

有機薄膜電晶體（圖片來源：Rob Felt，喬治亞理工學院）

在這些傳感器和電子電路中，其中集成了有機電晶體的柔性放大器消除了用戶由於貼到身體上的設備所引發的不適感。這種作為傳感器持續監測非常微弱的生物信號的放大器的研發目前正在進行中。

然而，傳統的有機放大器大多具有一個單端結構，這種結構無法將生物信號與幹擾噪聲區分開來，從而難以低噪聲水平監測生物信號（圖1）。差分放大器是一種可測量消除噪聲成分的信號的電路。然而，與矽電晶體相比，製造出的有機電晶體的品質差異很大；因此，目前為止，關於實現精確降噪的柔性差分放大器的報告還沒有出現。

創新

近日，日本大阪大學科學與工業研究所的教授 Tsuyoshi Sekitani 與副教授 Takafumi Uemura 領導的科研小組成功開發出世界上最薄、最輕的用於生物儀器的差分放大器。

這種超薄、柔性的有機差分放大器，能以低噪聲水平，精準地監測微弱的生物信號，並且不會讓用戶感受到由貼在身體上的設備引發的任何不適。

研究人員們採用這種先進的差分放大器，有望開發出新的有價值的應用，例如先進的家用生物儀器。

技術

研究小組通過在厚度為1微米（一微米等於一百萬分之一米）的超薄柔性塑料膜上集成稱為「有機電晶體（*1）」的柔性電子器件，開發出一個柔性生物儀器電路，消除了用戶身體上所貼的設備所引發的不適感。這種先進的電路是一種稱為「差分放大器（*2）」的信號處理電路。

與傳統的單端放大器（*3）相比，這項研究中開發的這種柔性差分放大器不僅可以放大非常微弱的生物電信號，而且可以減少幹擾噪聲（*4）。該研究小組演示了這種差分放大器可以應用於人體儀器，並實現以低噪聲水平對非常重要的生物信號即心電圖信號進行實時監測。

除了心電圖信號，這項成果還有望帶來日常生活中各種微弱生物信號（例如腦電波與胎兒的心音）的監測，並且不會讓用戶感受到貼在身體上的設備所引發的不適感。

研究小組通過開發一項可以降低放大器內有機電晶體中流動的耗散電流至2%甚至更少的補償技術，成功地開發出這種具有降噪功能的柔性有機差分放大器。這种放大器在一個厚度為1微米的派瑞林薄膜上製造而成。它在薄膜受到彎曲時不會損壞，並且貼到人體皮膚上不會引起任何不適（圖2）。採用這種柔性差分放大器監測信號，心電圖信號被放大25倍，噪聲被降低至七分之一甚至更少。研究小組的研究表明，在檢測心電圖信號期間，外部電源引發的噪聲，以及行走引發的身體運動大噪聲都被消除了（圖1）。

圖1：用柔性有機差分放大器獲取的心電圖信號。（A）傳統單端放大器（B）這項研究中開發的差分放大器。（C）從行走的受試者獲取的心電圖信號。在採用單端放大器獲取的心電圖信號中，行走引發的大噪聲包含在波形中。相比而言，在採用先進的柔性有機差分放大器獲取的波形中，這種噪聲被去除了。（圖片來源：大阪大學）

圖2：柔性有機差分放大器貼在人體胸部。這種有機差分放大器超輕、超薄，貼在柔軟的皮膚上，不會讓用戶感到任何不適。日常生活中的生物儀器有望變得更輕且使用起來更舒適。（圖片來源：大阪大學）

價值

監測日常生活中的生物電信號例如心電圖信號的智能手錶以及其他可穿戴設備已經上市。然而，這種高精度的柔性生物儀器電路，不會讓用戶感受到因為貼在他們身體上的設備所引發的任何不適。採用這種電路，生物儀器有望變得更簡單，並在各種情況下都更舒適。例如，由於可穿戴性以及設備與皮膚之間附著力的改善，那些為劇烈運動例如體育運動的人設計的生物儀器將有可能出現。

這種實時長期的生物儀器數據的獲取，將促進疾病的早期檢測，並改善醫療效率、老年人與病人的監測以及運動負荷監測。這些成果將通過減少醫療費用和改善生活質量，進一步解決日本老齡化社會中的各種問題。

術語

*1 有機電晶體

有機電晶體是一種導電半導體部分由有機材料組成的電晶體。不同於無機半導體，大部分的有機半導體是在200攝氏度甚至更低的溫度下製造而成。因此，塑料薄膜可以作為基底使用，從而製造出輕量、柔性的電晶體。通過將這種類型的幾個電晶體組合與集成到一起，研究小組實現了能放大信號並降低噪聲的電子電路。

*2 差分放大器

差分放大器具有兩個輸入端，可以放大來自兩個端的信號之間的差異。拿生物儀器來說，目標生物信號之外的大多數信號都是幹擾噪聲信號，這些噪聲信號以同樣的波形進入兩個輸入端；因此，基於這個差異可以僅僅消除幹擾噪聲。

*3 單端放大器

不同於以上解釋的差分放大器，單端放大器只有一個端。因為輸入信號被放大時沒有消除噪聲，所以目標生物信號以及不必要的幹擾噪聲信號都是輸出。因為大部分的生物信號都非常微弱，所以單端放大器不適合監測這些信號。

*4 幹擾噪聲

被監測的生物信號會受到幹擾噪聲的汙染，這些噪聲由商業交流噪聲（交流聲）和身體運動噪聲組成。商業交流噪聲由周圍的電源產生；在日本西部與東部，其固定頻率分別為 60 Hz 和 50 Hz。身體噪聲是由與人體運動相關的電極與線路之間的不一致而造成的。因此，開發能與皮膚緊密接觸的柔性電極和測量電路，對於實現高度精確的生物儀器來說很重要。

關鍵字

柔性電子、有機電子、醫療電子、電晶體

參考資料

【1】Masahiro Sugiyama et al. An ultraflexible organic differential amplifier for recording electrocardiograms, Nature Electronics (2019). DOI: 10.1038/s41928-019-0283-5

相關焦點

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    由接地迴路的不同，甚至也可以判斷放大器類型為同相放大器亦或反相放大器。 如果有兩路輸入信號，分別從兩個輸入端同時輸入，即雙端輸入，單端輸出的工作模式，即為差分放大器（亦名減法器）。 差分放大器的電路優點：放大差模信號抑制共模信號，在抗幹擾性能上有「過人之處」，這與其電路結構是分不開的。可以用兩隻三極體電路搭建一個如圖1中的a電路，說明差分放大器的電路特性。 （1）對單電源供電的放大器電路，其輸出端（即Q1\Q2的C極）靜態工作點為1/2Vcc最為適宜，能保障其最大動態輸出範圍。
  • 差分放大器的工作原理和基本電路圖解析
    由接地迴路的不同，甚至也可以判斷放大器類型為同相放大器亦或反相放大器。 　　如果有兩路輸入信號，分別從兩個輸入端同時輸入，即雙端輸入，單端輸出的工作模式，即為差分放大器（亦名減法器）。 　　差分放大器的電路優點：放大差模信號抑制共模信號，在抗幹擾性能上有「過人之處」，這與其電路結構是分不開的。可以用兩隻三極體電路搭建一個如圖1中的a電路，說明差分放大器的電路特性。      差分放大器的特點 　　（1）對單電源供電的放大器電路，其輸出端（即Q1\Q2的C極）靜態工作點為1/2Vcc最為適宜，能保障其最大動態輸出範圍。
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    、世界一流的著名研究型國立綜合大學，綜合實力日本第三，在日本關西地區與京都大學一道在各個領域都起著重要作用。此外還包括13名校友獲日本文化勳章，15名獲日本文化功勞勳章，10名獲日本學士院恩賜獎，29名獲日本學士院獎等。2015/16 年QS世界大學排名中，阪大位列世界第58位。 化學世界第19，生物科學世界第30，牙醫學世界第38，材料科學世界第44。在世界範圍內享有很高的學術聲譽。
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    在運算放大器的同相引腳上放置一個較大的串聯電阻並施加正弦波或噪聲源，就可以使用網絡分析儀或頻譜分析儀來測量由運算放大器輸入電容而產生的-3dB的頻率響應。為了獲得比簡單電阻更好的電流測量技術，可使用跨阻放大器（TIA）代替R1。TIA輸入會連接到運算放大器的同相引腳，在該引腳上需要電流，同時電壓固定為虛地以消除CCM–中的電流。事實上，這正是Keysight/Agilent HP4192A等四埠阻抗分析儀的實現方式。HP4192A可以在5Hz至13MHz的頻率範圍內進行阻抗測量。