适用于大面积传感器与执行器应用的高输出功率低温多晶硅薄膜晶体管升压转换器

为下一代可穿戴技术供能

设想一种如皮肤般的电子贴片，它可以听取你的心跳、感知你的动作，或让你在虚拟现实中“触摸”物体——这一切都无需笨重的电池或刚性的电路板。要使这类大面积、舒适的电子表面变得实用，我们需要能够安全提供瓦级功率的薄、柔性电源电路。本文探讨了如何使用薄膜晶体管构建这些电源电路，将柔性电子推进到健康监测、智能服装和沉浸式 AR/VR 装备的日常应用。

为什么柔性供电很重要

大面积的传感器与执行器阵列——例如电子皮肤、智能纺织品或触觉手套与背心——需要覆盖身体的大范围，且通常包含成千上万个独立单元。其中许多单元，如用于器官成像的超声换能器或触觉反馈装置，需要相对较高的电压或电流。传统硅芯片虽然功能强大，但它们刚性且面积小：要在衬衫、手套或背心上分布这些功率，需要将许多刚性岛状电路连接在一起，使系统变得笨重且不舒适。薄膜晶体管可以在大面积甚至柔性表面上低成本制造，是一种有吸引力的替代方案——但到目前为止，它们的供电电路大多仅限于微瓦或毫瓦级，远低于这些远大应用的需求。

构建柔性电源“泵”

作者将注意力集中在一个关键构件：升压转换器，这是一种将适度输入电压（在这里为 3.3 伏）“提升”到更高电压同时仍提供可观电流的电路。他们在低温多晶硅薄膜技术中实现了这些电路，该技术可在玻璃上加工，随后剥离成柔性薄膜。他们的第一个设计采用了简单的“二极管连结”配置，其中一个晶体管始终表现为单向阀门。即便电路被剥离成可弯曲形态，它仍能提供约 2 瓦的输出功率，效率峰值接近 59%，并在有用的负载与电压范围内保持大约 47% 以上的效率。这一结果本身相比以往的薄膜电源电路提升了数个数量级。

在更小空间内挤出更多功率

为了在不牺牲性能的情况下缩小这些电源电路的体积，团队利用了一种具有两个栅极而非一个的特殊晶体管。通过同时驱动两个栅极，他们有效地加倍了对电流通道的控制，从而允许在给定输出电流下缩减所需的晶体管总面积。将单栅和双栅版本的转换器进行比较，他们表明双栅设计在保持类似效率与输出行为的同时可以减少占地面积。这对未来需要在同一柔性片上与密集传感器与执行器阵列共存的电源转换器尤为重要。

从简单阀门到更智能的开关

随后，研究人员将类似二极管的晶体管替换为完全受控的开关，并由更复杂的时序信号驱动。这种“开关连结”转换器的行为更接近传统电源芯片中的升压电路。其回报是显著的改进：在驱动 0.4 安培电流时，峰值效率接近 70%，输出电压略高于输入。然而，额外的开关动作也在非常高的工作占空比下增加了损耗，特别是因为大型薄膜晶体管具有可观的内建电容，每个周期都需对其充放电。团队还指出，看似平凡的细节——例如电感和电容距离晶体管的远近——通过布线中的寄生电阻与电容，会明显影响性能。

驯服隐性损耗并验证可靠性

为了解决这些隐性损耗，作者构建了另一种版本，在该版本中，关键储能元件电感被直接焊接到靠近晶体管的薄膜上。通过缩短连接，他们减少了寄生电阻并在多个工作点上提升了效率与输出电压。然后他们对二极管型和开关型转换器进行了数小时的应力测试。在此期间，输出电压与效率仅漂移了几个百分点，表明薄膜技术可以承受持续的高功率运行。与早期薄膜工作及商业硅芯片的详细比较显示，柔性薄膜转换器首次能够以与传统集成电路相当的效率提供瓦级功率。

对日常设备意味着什么

对非专业读者来说，主要结论是柔性电子正在学会承担“重载”供电任务，而不仅仅是温和的传感。通过展示在柔性薄膜技术上能以高达约 70% 的效率提供大约 0.6 到 2.2 瓦的升压转换器，这项工作缩小了可弯曲电路与刚性硅电源芯片之间的大部分差距。这使得设想能够监测心跳的衬衫、让你感受虚拟纹理的手套或用于器官成像的电子绷带等设想变得更加现实——这些都可以由薄而贴合的硬件供电，而非笨重的设备。尽管仍存在挑战，例如加入精确电压控制回路与理解长期弯曲效应，但这项研究为下一代大面积、贴身电子设备奠定了坚实的供电基础。

引用: Velazquez Lopez, M., Papadopoulos, N., Coulson, P. et al. High output power low temperature polysilicon thin-film transistor boost converters for large-area sensor and actuator applications. npj Flex Electron 10, 32 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00536-6

关键词: 柔性电子, 薄膜晶体管, 升压转换器, 可穿戴传感器, 触觉设备