天津工业大学联合南开大学：基于聚合物光子芯片的可穿戴传感新突破

研究背景
作为电子科学、生命科学、材料科学与化学科学相融合的世界科技前沿热点和新兴领域，柔性电子学研究突破了传统刚性无机器件不可变形、无法与人体曲面环境集成的瓶颈，拓展了传统半导体器件的物理形态及应用领域。电子皮肤即柔性电子学的代表研究体现，它通过将传感器和电路制作在柔性基底从而获得独特延展性，且可感知各种物理、化学和生物信号。迄今为止大多数柔性电子皮肤传感器件的研究都是基于电传感器件。光传感器件具有抗电磁干扰、电气安全优势，且光学信号内禀地具有可复用、调制解调多样化等，特别是在多自由度传感体系中具有较大优势。近年来，光纤光栅、微纳光纤和光波导传感研究的兴起，为柔性可穿戴光传感技术注入了新的活力，在传感器件的小型化和探测灵敏度等方面取得了许多进展。
尽管光纤光栅、微纳光纤和光波导器件在柔性可穿戴光传感方面得到了应用，但是它们仍然没有大规模的集成体温、心电、血糖等关键人体生命体征参数，并且现有的传感解调都需要借助于台式光谱分析仪或者光纤光栅解调仪进行测量。它们都存在着体积较大、价格较高等缺点，严重限制了柔性可穿戴光传感的推广应用。因此，研究一种能够同时测量多种人体生命体征参数的柔性光子器件与芯片，对于推动柔性可穿戴光传感技术前沿和技术创新方面具有重要意义。
研究成果
在实现人体皮肤表面工作条件下，光传感功能单元光子器件的动态特性以及光子器件材料参数和结构参数对于器件传感性能的影响至关重要，并且对于人体体温、心电、血糖传感功能单元微结构集成的物理极限和工艺制备等也提出了重要挑战。在此，天津工业大学李鸿强教授团队联合南开大学、天津大学胸科医院、澳大利亚伍伦贡大学多家机构提出了一种基于聚合物光子芯片的柔性光子皮肤新思路，能够同时测量人体体温、心电和血糖。该光子皮肤通过在柔性聚二甲基硅氧烷基底上集成波导布拉格光栅和马赫曾德尔调制器等光子器件，设计实现了对多种人体生命体征参数检测的聚合物光子芯片。这一成果为柔性可穿戴研究领域提供了传感新思路，为新型柔性可穿戴光传感光子皮肤的设计与研制提供理论与技术支撑。相关研究以“Photonic skin for photonic-integration-based wearable sensors”为题发表在光学和光学工程领域的顶尖期刊OPTICA上。
图文导读
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.

总结与展望
总之，作者探索了一种基于聚合物光子芯片的柔性光子皮肤传感新思路，该光子皮肤在35-42℃体温范围内中表现出极低的误差(±0.1°C)；在0-3.6mg/mL血糖浓度范围内表现出高灵敏度(242.9pm/(mg/mL))；心电测量能较清晰地还原出心电信号的波形及特征点，器件半波电压仅为1.6 V。目前柔性光传感器件已经从氧化硅/聚合物光纤光栅器件、微纳光纤器件逐步向光波导器件的前沿领域拓展，但是仍需要从器件物理学、波动光学及热力学理论等物理基础出发，结合跨材料热光、电光等特性，探索传感对象对光场模式的影响机制及可控性，为面向柔性可穿戴的光传感用光子器件与芯片提供进一步的理论基础和实际支撑。
文献链接
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
审核编辑 黄宇