光子皮肤：可穿戴传感器的革新之光

研究背景

可穿戴应用日益丰富，能测量多种人体生命体征参数。光子皮肤作为新兴技术，可监测呼吸、体温等多项指标，但现有可穿戴传感器多依赖电子传感，受电磁干扰影响大。已有的光学波导设备无法同时测量体温、血糖和心电图，还需外接设备，使用不便。开发集成多种生命体征监测功能的可穿戴光学传感器迫在眉睫。

研究成果

1，架构与工作原理

光子皮肤由光子芯片和柔性电路构成。光子芯片集成了多个关键元件，其中 WBG 用于测量体温和血糖，MZM 负责心电图测量。体温 WBG 根据体温变化改变反射光波长；血糖 WBG 利用葡萄糖氧化酶与血糖反应改变折射率来测量血糖；MZM 基于电光效应将心电图信号转化为光信号变化。

2，光子芯片制备

光子芯片的制备工艺复杂，经旋涂、光刻等多步完成。为解决 PMMA 在 PDMS 表面的附着问题，用 GPTMS 溶液处理 PDMS 表面，并对 CLD - 1/PMMA 进行极化处理，最终制成 1 cm×0.45 cm 的光子芯片。

3，实验表征

研究人员用 SEM 和多种测试设备对光子器件进行表征。结果显示，各元件性能良好，如 AWG 通道间隔合适，GC 耦合效率较高。血糖 WBG 对葡萄糖选择性好，在一定浓度范围内线性度佳；体温 WBG 测量精度高；ECG MZM 能有效恢复心电图信号，稳定性好。

4，器件测试与实际应用

SLED 芯片和 PD 阵列测试表现良好。光子皮肤由锂电池供电，功耗低、续航长，且柔韧性强，适合人体佩戴。实际人体测量中，光子皮肤能实时监测生命体征，血糖、体温测量误差小，心电图监测能准确捕捉特征峰。

图文导读

图 1. 光子皮肤的架构和工作原理。(a) 光子芯片的透视图（示意图）。渲染图像展示了光子芯片，其中输入的宽带光谱以红色显示。阵列波导光栅（AWG）的输出光谱分别以深蓝色、黄色、淡绿色和浅蓝色显示。心电图波形（黄色）是光电探测器（PD）的输出电信号，PD 粘贴在芯片输出光栅耦合器（GC）上方。由聚合物功能器件组成的光子芯片用不同颜色表示，其中金色、淡绿色、橙色和蓝色分别代表马赫 - 曾德尔调制器（MZM）的金属电极、波导、体温波导布拉格光栅（WBG）和血糖波导布拉格光栅。(b) 光子芯片的方框图。(c) 体温波导布拉格光栅的架构和工作原理。W 是波导宽度， 是光栅周期，d 是调制深度。当测量的体温发生变化时，体温波导布拉格光栅的中心波长会发生偏移（从橙色变为红色）。(d) 血糖波导布拉格光栅的架构和工作原理。氧化反应后，波长会根据血糖浓度发生偏移。(e) 马赫 - 曾德尔调制器的架构和工作原理。心电图信号施加到中间电极，两侧的电极接地。

图 2. 光子芯片的制备。(a) 光子芯片的制备步骤。包层（蓝色）材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS），核心层（绿色）材料为 CLD-1 / 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），金属层（金色）材料为金。(b) PDMS 薄膜表面的化学改性过程。改性后，疏水性的 PDMS 分子变为亲水性。(c) 核心层极化过程。经过高温和电压极化处理后，核心层中随机取向（左图）的发色团变得排列整齐（右图），从而产生电光效应。(d) MZM 极化的电压和温度曲线。极化过程中获得的电压（蓝色）和温度（红色）控制曲线。当在 PMMA 中掺杂 30% 的 CLD-1 发色团时，CLD-1/PMMA 薄膜在 85°C 的极化温度和 1800V 的极化电压下进行极化。此处，预热温度为 60°C，这是根据电热鼓风干燥箱的加热速度设定的。(e) 制备好的光子芯片（显微图像）；主要功能器件用方块标记。

图 5. 体温波导布拉格光栅（WBG）和心电图马赫 - 曾德尔调制器（MZM）的实验表征。(a) 体温 WBG 的温度响应性。(b) 体温 WBG 的波长偏移。加热（红色）和冷却（蓝色）的结果显示出良好的重复性。(c) 体温 WBG 测量温度与目标温度的比较。相同颜色的数据点来自同一次试验。*p<0.1，双尾检验。(d) 心电图 MZM 半波电压随温度的变化。第一次（蓝色）、第二次（红色）和第三次（橙色）实验结果显示出高重复性，半波电压为 1.6V。(e) 心电图 MZM 的长期储存稳定性。在第 1 天（红色）、30 天后（蓝色）和 50 天后（绿色）测量半波电压。(f) 心电图 MZM 的温度稳定性结果。(g) 心电图 MZM 在不同频率下的电光响应。施加不同频率的正弦信号（上图），恢复的信号（下图）呈现正弦特性。(h) 心电图 MZM 对标准窦性心动过缓（SBR）心电图信号的测量。

图 6. 光子芯片键合过程。(a) 光电探测器（PD）阵列键合与封装过程。沟槽 1 和 2 被深蚀刻，用于连接 PD 阵列的正极与金属焊盘，沟槽 3 浅蚀刻，用于连接 PD 阵列的负极与金属焊盘。(b) 超发光发光二极管（SLED）芯片键合过程。(c) 使用多功能柔性打印设备对光子芯片进行点胶。(d) PD 阵列和 SLED 芯片键合后的封装光子芯片。(e) SLED 芯片。(f) PD 阵列的显微图像。(g) 在 3V 外加电压下获得的 SLED 芯片光谱。键合过程导致光谱差异和损耗。(h) SLED 芯片的长期状态。在超过 12 小时内，未观察到输出功率有显著下降（p<0.1）(i) PD 阵列在 1530 - 1570nm 范围内的电流 - 电压特性和响应度。(j) MZM 调制电压与输出光电流线性区域的曲线拟合结果。(k) 体温 WBG 的温度与输出光电流的曲线拟合结果。(l) 葡萄糖浓度与输出光电流的关系。浓度范围为 0 - 3.6mg/mL，输出光电流从 1mA 变化到 1.8mA。

图 7. 光子皮肤的柔韧性测试。(a) 制备好的光子芯片。该光子芯片的占用面积为 1 厘米 ×0.45 厘米。(b) 柔性电路的方框图。(c) 制备好的光子芯片和光子皮肤（6 厘米 ×2.5 厘米）。(d) 光子芯片柔韧性测试的实验装置。(e) 光子芯片在 0.8 毫米弯曲半径下的光功率传输特性。(f) 光子皮肤的拉伸测试。光子皮肤被拉伸至（从右到左）6.6 厘米（蓝色，拉伸比为 20%）、6.75 厘米（红色，拉伸比为 23%）和 6.9 厘米（橙色，拉伸比为 27%），各进行 200 次循环。(g) 光子皮肤的弯曲测试。光子皮肤以（从右到左）6 厘米（蓝色）、4 厘米（红色）和 2 厘米（绿色）的弯曲半径进行弯曲，各进行 200 次循环。在完成第一轮 200 次循环后，该装置依次进行第二轮和第三轮 200 次循环测试。(h) 处于弯曲和扭转状态的光子皮肤。

图 8. 光子皮肤的人体测量。(a) 光子皮肤的背面。光子皮肤通过定制的、基于导电粘合剂的心电图电极附着在人体皮肤上。(b) 光子皮肤在胸部处于拉伸、压缩和扭转状态下的光学图像。(c) 佩戴过程示意图。光子皮肤通过导电粘合剂附着在胸部，以实时监测心电图信号和体温。(d) 光子皮肤和商用血糖仪（拜耳 Contour Plus One）测量血糖水平的显微照片。(e) 一名志愿者白天通过光子皮肤测量的血糖水平变化，与从手指采血获得的真实血糖水平（参考值）的对比。(f) 光子皮肤测量的葡萄糖浓度与标准葡萄糖溶液浓度的比较。相同颜色的数据点来自同一次试验。*p<0.073，双尾检验。(g) 实时体温测量结果。分别在早上、中午和晚上测量体温 10 分钟。此外，使用光子皮肤和红外相机对同一参与者进行体温测量，10 分钟内的温度测量误差小于 0.1°C。(h) 光子皮肤测量的心电图信号。这些信号显示出清晰的心电图特征峰（Q、R 和 S 峰）。

研究总结

光子皮肤在血糖和心电图监测方面优势明显，相比传统方法和电子传感器，具有诸多优点。不过目前仍存在一些问题，如血糖监测需采血、心电图波形有失真、光子芯片拉伸性和弯曲性待提高等。未来需开发血糖监测技术、改进 MZM 传感器、优化光子芯片设计。尽管存在挑战，但光子皮肤为柔性电子皮肤发展指明了方向，有望替代传统医疗设备，为健康监测带来更高效的解决方案，助力人们更好地管理健康。