研究背景
作為電子科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)與化學(xué)科學(xué)相融合的世界科技前沿?zé)狳c(diǎn)和新興領(lǐng)域，柔性電子學(xué)研究突破了傳統(tǒng)剛性無機(jī)器件不可變形、無法與人體曲面環(huán)境集成的瓶頸，拓展了傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的物理形態(tài)及應(yīng)用領(lǐng)域。電子皮膚即柔性電子學(xué)的代表研究體現(xiàn)，它通過將傳感器和電路制作在柔性基底從而獲得獨(dú)特延展性，且可感知各種物理、化學(xué)和生物信號(hào)。迄今為止大多數(shù)柔性電子皮膚傳感器件的研究都是基于電傳感器件。光傳感器件具有抗電磁干擾、電氣安全優(yōu)勢，且光學(xué)信號(hào)內(nèi)稟地具有可復(fù)用、調(diào)制解調(diào)多樣化等，特別是在多自由度傳感體系中具有較大優(yōu)勢。近年來，光纖光柵、微納光纖和光波導(dǎo)傳感研究的興起，為柔性可穿戴光傳感技術(shù)注入了新的活力，在傳感器件的小型化和探測靈敏度等方面取得了許多進(jìn)展。
盡管光纖光柵、微納光纖和光波導(dǎo)器件在柔性可穿戴光傳感方面得到了應(yīng)用，但是它們仍然沒有大規(guī)模的集成體溫、心電、血糖等關(guān)鍵人體生命體征參數(shù)，并且現(xiàn)有的傳感解調(diào)都需要借助于臺(tái)式光譜分析儀或者光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行測量。它們都存在著體積較大、價(jià)格較高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了柔性可穿戴光傳感的推廣應(yīng)用。因此，研究一種能夠同時(shí)測量多種人體生命體征參數(shù)的柔性光子器件與芯片，對(duì)于推動(dòng)柔性可穿戴光傳感技術(shù)前沿和技術(shù)創(chuàng)新方面具有重要意義。
研究成果
在實(shí)現(xiàn)人體皮膚表面工作條件下，光傳感功能單元光子器件的動(dòng)態(tài)特性以及光子器件材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于器件傳感性能的影響至關(guān)重要，并且對(duì)于人體體溫、心電、血糖傳感功能單元微結(jié)構(gòu)集成的物理極限和工藝制備等也提出了重要挑戰(zhàn)。在此，天津工業(yè)大學(xué)李鴻強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南開大學(xué)、天津大學(xué)胸科醫(yī)院、澳大利亞伍倫貢大學(xué)多家機(jī)構(gòu)提出了一種基于聚合物光子芯片的柔性光子皮膚新思路，能夠同時(shí)測量人體體溫、心電和血糖。該光子皮膚通過在柔性聚二甲基硅氧烷基底上集成波導(dǎo)布拉格光柵和馬赫曾德爾調(diào)制器等光子器件，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種人體生命體征參數(shù)檢測的聚合物光子芯片。這一成果為柔性可穿戴研究領(lǐng)域提供了傳感新思路，為新型柔性可穿戴光傳感光子皮膚的設(shè)計(jì)與研制提供理論與技術(shù)支撐。相關(guān)研究以“Photonic skin for photonic-integration-based wearable sensors”為題發(fā)表在光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域的頂尖期刊OPTICA上。
圖文導(dǎo)讀
Fig. 1.Architecture and operating principles of the photonic skin. Fig. 2.?Photonic chip fabrication. ?
Fig.3. Magnified SEM images and optical performance of the fabricated photonic chip device.

Fig.4. Photonic chip bonding process.
Fig.?5.?Flexibility test of the photonic skin. ?
Fig.6. On–body measurements using the photonic skin.

總結(jié)與展望
總之，作者探索了一種基于聚合物光子芯片的柔性光子皮膚傳感新思路，該光子皮膚在35-42℃體溫范圍內(nèi)中表現(xiàn)出極低的誤差(±0.1°C)；在0-3.6mg/mL血糖濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出高靈敏度(242.9pm/(mg/mL))；心電測量能較清晰地還原出心電信號(hào)的波形及特征點(diǎn)，器件半波電壓僅為1.6 V。目前柔性光傳感器件已經(jīng)從氧化硅/聚合物光纖光柵器件、微納光纖器件逐步向光波導(dǎo)器件的前沿領(lǐng)域拓展，但是仍需要從器件物理學(xué)、波動(dòng)光學(xué)及熱力學(xué)理論等物理基礎(chǔ)出發(fā)，結(jié)合跨材料熱光、電光等特性，探索傳感對(duì)象對(duì)光場模式的影響機(jī)制及可控性，為面向柔性可穿戴的光傳感用光子器件與芯片提供進(jìn)一步的理論基礎(chǔ)和實(shí)際支撐。
文獻(xiàn)鏈接
Photonic skin for photonic-integration-based wearable sensors
https://doi.org/10.1364/OPTICA.546458
Authors:Hongqiang Li*, Xiaolin Li, Yueting Yang, Fanglin Xie, Ming Han, Zhilin Lin, Yingjie Wang, Junqu Zhang, Shanshan Zhang, Cheng Zhang, Lu Cao, and Enbang Li
審核編輯 黃宇