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En los dispositivos portátiles con indicadores biológicos, la compensación de bajo consumo de energía / alto rendimiento es un problema de diseño matizado, especialmente porque los cambios en la presión arterial o la frecuencia del pulso a menudo equivalen a señales eléctricas muy pequeñas. Para interpretar y distinguir entre señales, los EE necesitan amplificar significativamente estas señales, lo que se vuelve más difícil cuando se utilizan tensiones de suministro bajas para ahorrar energía.

Pasos de procesamiento estándar para una señal biológica. Imagen utilizada cortesía de Bolaños-Perez et al.

Al abordar este problema de frente, los investigadores del Instituto Terasaki han realizado modificaciones en un dispositivo bien estudiado, el transistor electroquímico orgánico (OECT), para llevar baja potencia y alta amplificación a los dispositivos portátiles.

¿Qué son los transistores electroquímicos orgánicos?

El OECT es una forma única de transistor que opera con principios similares, pero muy diferentes, a los de un MOSFET típico. La estructura del dispositivo de un OECT es como la de un MOSFET con un canal conductor entre los terminales de drenaje y fuente y un electrodo de puerta para modular la corriente del canal, todo construido sobre un sustrato tipo p o tipo n.
Sin embargo, donde los dos difieren es en lo que sucede en la puerta.

El diseño del dispositivo y el principio de funcionamiento de los OECT. Imagen utilizada por cortesía de Friedlein et al.

A diferencia de un MOSFET, que tiene un aislante de óxido entre la puerta y el canal, un OECT tiene una sustancia electrolítica (a menudo un gel) entre los dos. Mientras que un MOSFET usa un voltaje aplicado para acumular portadores e inducir un canal, el voltaje de puerta aplicado en un OECT sirve para impulsar iones del electrolito al canal y al volumen.

El MOSFET frente al OECT. Imagen utilizada cortesía de Friedlein et al.

Este es el principio operativo de un OECT, donde los iones interactúan con los portadores en el canal para modular las propiedades del dispositivo y la corriente del canal.

Por qué los OECT apelan a los diseños médicos

Un dispositivo no convencional, el OECT tiene muchos beneficios y algunas desventajas, en comparación con un FET estándar para aplicaciones médicas.
Debido a que los iones en el electrolito penetran en todo el sustrato, los OECT tienen capacitancias de puerta extremadamente altas, más de tres órdenes de magnitud mayores que un FET dieléctrico de alta k de última generación. El resultado de esta alta capacitancia es la capacidad de operar a voltajes muy bajos (hasta ~ 0.5 V) y exhibir una transconductancia extremadamente alta.
Juntas, estas características significan que los OECT se adaptan a las necesidades de los dispositivos médicos de muy baja potencia al tiempo que logran altos niveles de amplificación.
Más allá de esto, estos dispositivos también pueden funcionar como sensores de presión por sí mismos, donde la presión aplicada físicamente a la puerta comprimirá el electrolito, enviando iones al sustrato y modulando la corriente. Este ha sido un enfoque de investigación, específicamente para mediciones biológicas donde la presión puede ser muy pequeña.

La ecuación de transconductancia para OECT. Fórmula utilizada por cortesía de Friedlein et al.

El principal inconveniente de los OECT, sin embargo, es el hecho de que el electrolito utilizado es a menudo una solución acuosa, que generalmente no responde bien a presiones externas. Este es un factor limitante para los OECT en dispositivos médicos que a menudo miden las presiones corporales como parte de su funcionalidad.

Investigadores modifican OECT para amplificación y potencia

En respuesta a esta limitación de los OECT, un equipo de investigadores del Instituto Terasaki ha ideado una modificación crítica de los OECT estándar.

La presión aplicada a la puerta hace que el hidrogel iónico se comprima y envíe iones al canal. Imagen utilizada por cortesía de Yangzhi et al.

Como se explica en una publicación sobre el estudio, los investigadores crearon un OECT que utiliza un "hidrogel iónico" como electrolito en la puerta en lugar de una solución acuosa convencional. Este hidrogel cargado terminó siendo la solución perfecta: un electrolito funcional que responde con sensibilidad a las presiones externas, lo que permite el transporte de iones y logra altas ganancias a bajas potencias.

Sensor de presión biométrica resultante. Imagen utilizada por cortesía del Instituto Terasaki

Se demostró que el dispositivo resultante funciona a voltajes de menos de 1 V con un consumo de energía de alrededor de 10 uW y una sensibilidad a la presión de 1 a 10 kPa.

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¿Trabaja en la industria de dispositivos médicos? Si es así, ¿cómo ha abordado el compromiso de bajo consumo / alto rendimiento intrínseco a los dispositivos biomédicos en la actualidad? Comparta sus experiencias en los comentarios a continuación.