背景介紹

目前，將電子元件與智能醫(yī)療設(shè)備相結(jié)合的新技術(shù)解決方案，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析人體重要生理信號(hào)，實(shí)現(xiàn)疾病預(yù)防和早期診斷。這一新興領(lǐng)域是由醫(yī)療機(jī)構(gòu)的需求和醫(yī)療監(jiān)測(cè)應(yīng)用的增長(zhǎng)所驅(qū)動(dòng)的。隨著可穿戴光電技術(shù)的發(fā)展，光療、光電血壓計(jì)、氧飽和度探頭等產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。這些新的可穿戴和可變形的電子設(shè)備，甚至可以與人體皮膚以非接觸模式操作，由于其功能化的傳感能力，被稱為“可穿戴電子設(shè)備”。光電體積脈搏波(PPG)是光電傳感領(lǐng)域中技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定、操作方便的典型傳感方法。更具體地說，PPG裝置是基于照射在人體皮膚組織上的光源和探測(cè)器。通過捕獲人體血管和組織反射和吸收的衰減光，可以量化血管的脈動(dòng)狀態(tài)和脈沖波。

由于可穿戴醫(yī)療電子設(shè)備可以被心血管疾病患者使用，在實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，避免傷口感染和過敏反應(yīng)至關(guān)重要。因此，PPG是無創(chuàng)和微創(chuàng)應(yīng)用場(chǎng)景的合適選擇。但在日常生活中，人體處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備信號(hào)采集的不穩(wěn)定，尤其是皮膚和關(guān)節(jié)，兩者都具有一定的內(nèi)在延展性和明顯的移動(dòng)性。

一種有效的解決方案是將印刷或制造的光電器件轉(zhuǎn)移到柔性基板上，然后構(gòu)建相應(yīng)的機(jī)械保護(hù)結(jié)構(gòu)，如3D互連封裝結(jié)構(gòu)。通過這種方法，發(fā)光二極管和光電探測(cè)器可以應(yīng)用于彎曲的表面，如手指關(guān)節(jié)和腹部。另一種解決這一問題的方法是利用柔韌材料的柔軟特性來設(shè)計(jì)柔性光電器件，使其在不規(guī)則的曲面上形成一定的彎曲或拉伸能力。由于其固有的機(jī)械穩(wěn)定性，軟裝置能夠避免外力造成的損壞，而剛性裝置則不能。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作展示了一種貼片型光電系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了柔性鈣鈦礦光電探測(cè)器和全無機(jī)發(fā)光二極管，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人類PPG信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2. 使用光電探測(cè)器可以提取和分析人體的脈搏率和手指關(guān)節(jié)的腫脹程度，從而監(jiān)測(cè)人體健康狀況，以預(yù)防和早期診斷某些疾病。

3. 開發(fā)了一種3D褶皺蛇形互連線，提高了設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的形狀適應(yīng)性。

圖文解析

圖1 器件基本應(yīng)用場(chǎng)景原理圖、鈣鈦礦光電探測(cè)器工作原理圖和物理圖。(a)人體心腦血管循環(huán)系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用于人體皮膚表面的PPG信號(hào)傳感示意圖。(b)皮下組織PPG信號(hào)的基本曲線結(jié)構(gòu)及不同部位的響應(yīng)結(jié)構(gòu)。(c) 10 s內(nèi)讀取的PPG信號(hào)(波長(zhǎng)650 nm)。(d)三維褶皺-蛇形互連結(jié)構(gòu)激光共聚焦照片。標(biāo)尺：200 μm。(e)不同拉伸應(yīng)變下三維褶皺-蛇形互連結(jié)構(gòu)的形態(tài)表征。標(biāo)尺：100 μm。(f)三維起皺蛇形電互連電阻與外加拉伸應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系。(g)變PPG信號(hào)檢測(cè)膨脹示意圖。(h)柔性PPG信號(hào)傳感器詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖和物理原理圖(插圖：左：柔性鈣鈦礦光電探測(cè)器；右：紅色LED作為光源)。比例尺：0.5 cm。

圖2 MAPbI3材料基本性質(zhì)的表征。(a)柔性鈣鈦礦光電探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)。(b) PCBM(61)和鈣鈦礦活性層(MAPbI3)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(c)掃描電鏡下MAPbI3材料的形貌表征。(d-e) MAPbI3和MAPbI3-PCBM(61)薄膜的XPS光譜。(f)一步溶液法制備的MAPbI3材料的XRD表征細(xì)節(jié)。(e) MAPbI3-PCBM(61)體異質(zhì)結(jié)的能帶圖。(g)光源照射下光電材料有源區(qū)的載流子躍遷。(h)兩種材料的吸收光譜。(紅色：MAPbI3-PCBM(61)，粉紅色：MAPbI3) (i) MAPbI3和MAPbI3-PCBM(61)的常溫PL光譜。

圖3 柔性PPG傳感器的基本光電性能。(a-b)不同光功率密度(635 nm)下MAPbI3-PCBM(61)柔性光電探測(cè)器的I-V和I-T特性曲線。(c)光電探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間(光電流曲線上升沿和下降沿詳細(xì)圖)。(d)在2 mW/cm2功率照射下，柔性光電探測(cè)器在不同偏置電壓下的光電流響應(yīng)。(e)不同光功率下器件的響應(yīng)度。(插圖:不同光功率密度對(duì)應(yīng)的光電值)。(f)鈣鈦礦光電探測(cè)器的響應(yīng)曲線。(g)鈣鈦礦柔性光電探測(cè)器彎曲角度下的光電流曲線。(h)可變彎曲角度下柔性LED發(fā)光亮度曲線。

圖4 不同腫脹程度下手指的PPG信號(hào)。(a) PPG信號(hào)傳感器各種工作模式示意圖。(b)不同腫脹程度手指對(duì)應(yīng)的PPG信號(hào)詳細(xì)波形。(c-d) 635 & 532 nm下不同腫脹程度手指對(duì)應(yīng)的PPG信號(hào)基本波形(腫脹程度從左到右遞增)。(e)根據(jù)635 & 532 nm下的PPG信號(hào)計(jì)算血氧飽和度值。

審核編輯：彭菁