研究背景
作為電子科學、生命科學、材料科學與化學科學相融合的世界科技前沿熱點和新興領域，柔性電子學研究突破了傳統(tǒng)剛性無機器件不可變形、無法與人體曲面環(huán)境集成的瓶頸，拓展了傳統(tǒng)半導體器件的物理形態(tài)及應用領域。電子皮膚即柔性電子學的代表研究體現，它通過將傳感器和電路制作在柔性基底從而獲得獨特延展性，且可感知各種物理、化學和生物信號。迄今為止大多數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，且光學信號內稟地具有可復用、調制解調多樣化等，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、微納光纖和光波導傳感研究的興起，為柔性可穿戴光傳感技術注入了新的活力，在傳感器件的小型化和探測靈敏度等方面取得了許多進展。
盡管光纖光柵、微納光纖和光波導器件在柔性可穿戴光傳感方面得到了應用，但是它們仍然沒有大規(guī)模的集成體溫、心電、血糖等關鍵人體生命體征參數，并且現有的傳感解調都需要借助于臺式光譜分析儀或者光纖光柵解調儀進行測量。它們都存在著體積較大、價格較高等缺點，嚴重限制了柔性可穿戴光傳感的推廣應用。因此，研究一種能夠同時測量多種人體生命體征參數的柔性光子器件與芯片，對于推動柔性可穿戴光傳感技術前沿和技術創(chuàng)新方面具有重要意義。
研究成果
在實現人體皮膚表面工作條件下，光傳感功能單元光子器件的動態(tài)特性以及光子器件材料參數和結構參數對于器件傳感性能的影響至關重要，并且對于人體體溫、心電、血糖傳感功能單元微結構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)大學李鴻強教授團隊聯合南開大學、天津大學胸科醫(yī)院、澳大利亞伍倫貢大學多家機構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布拉格光柵和馬赫曾德爾調制器等光子器件，設計實現了對多種人體生命體征參數檢測的聚合物光子芯片。這一成果為柔性可穿戴研究領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計與研制提供理論與技術支撐。相關研究以“Photonic skin for photonic-integration-based wearable sensors”為題發(fā)表在光學和光學工程領域的頂尖期刊OPTICA上。
圖文導讀
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℃體溫范圍內中表現出極低的誤差(±0.1°C)；在0-3.6mg/mL血糖濃度范圍內表現出高靈敏度(242.9pm/(mg/mL))；心電測量能較清晰地還原出心電信號的波形及特征點，器件半波電壓僅為1.6 V。目前柔性光傳感器件已經從氧化硅/聚合物光纖光柵器件、微納光纖器件逐步向光波導器件的前沿領域拓展，但是仍需要從器件物理學、波動光學及熱力學理論等物理基礎出發(fā)，結合跨材料熱光、電光等特性，探索傳感對象對光場模式的影響機制及可控性，為面向柔性可穿戴的光傳感用光子器件與芯片提供進一步的理論基礎和實際支撐。
文獻鏈接
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