综述：用于可穿戴多参数监测的仿生柔性光子传感芯片
2025-09-14 09:54:15 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
柔性光子传感芯片（FPSC）是一种将光子传感技术与柔性电子技术相结合的高性能集成器件。FPSC以光子为信息载体，利用光的产生、传输、调制和探测等光子原理来感知外部信息。
柔性光子传感芯片（FPSC）作为一种新兴的器件类别，将光学传感能力与机械柔性材料相结合，展现出诸如可拉伸性、生物相容性和抗电磁干扰性等独特优势。这些特性使其特别适用于旨在实现连续、无创的多参数健康监测的新一代可穿戴技术。近年来，柔性光子传感芯片在材料工程、器件结构和制造技术领域取得重大进展，使其在机械变形下实现高灵敏度、低检测限和鲁棒性能。值得注意的是，仿生设计策略（即模仿生物视觉和触觉系统的结构和功能特征）正被广泛用于提升传感精度与环境适应性。
据麦姆斯咨询报道，近日，华南师范大学与香港理工大学的联合研究团队综述了用于可穿戴多参数监测的柔性光子传感芯片（FPSC）的研究进展，首先给出了FPSC的明确定义，并探讨了这类芯片开发中常用的材料和制造技术。在此基础上，研究人员系统梳理了FPSC在健康监测（包括可穿戴和可植入器件）、仿生应用（例如视觉假肢和光子皮肤）领域的研究进展（如图1）。最后，研究人员分析了FPSC当前面临的挑战，并展望其未来发展趋势。相关研究内容以“Bioinspired flexible photonic sensing chips for wearable multiparameter monitoring”为题发表在FlexMat期刊上。
图1 基于FPSC的器件示意图
FPSC的基本原理
柔性光子传感芯片（FPSC）是一种将光子传感技术与柔性电子技术相结合的高性能集成器件。FPSC以光子为信息载体，利用光的产生、传输、调制和探测等光子原理来感知外部信息。与传统的刚性光子芯片（通常基于硅等硬衬底材料）不同，FPSC采用如聚合物和柔性薄膜等柔性衬底材料，这些材料具有可弯曲、可拉伸及适应多种表面形状等特性。与刚性材料相比，这种衬底材料的根本差异赋予了FPSC卓越的光学传感性能和环境适应性，主要通过三大关键机制实现：机械变形下的光学稳定性、与生物组织的保形界面、可穿戴场景中运动伪影的减少。
柔性材料
有机材料通常由碳基分子或聚合物组成，分子间作用力较弱，因此具有优异的机械柔韧性和可拉伸性，使其能够适应弯曲、折叠甚至拉伸变形，非常适用于柔性光子芯片的衬底或功能层。图2展示了基于有机材料的柔性光子器件示例。
图2 基于有机材料的柔性光子器件示例
纳米材料凭借其尺寸小和比表面积极高，为光子芯片提供了更多活性位点，从而提高了芯片的灵敏度和效率。其独特的物理化学性质通过靶向机制进一步增强了灵敏度、多功能性和生物相容性，主要包括通过纳米级效应提高灵敏度、通过正交光信号实现多功能性、优化生物相容性以满足生物体内应用。
图3 掺杂纳米材料的柔性衬底用于提供光信号
可生物降解材料是指在特定环境条件下，通过生化反应逐渐分解为二氧化碳、水及其它无害小分子物质的新型材料。这类材料通常来源于天然有机物质或通过生物合成技术制备，具有良好的生物相容性和环境友好性。基于可生物降解材料的FPSC在医疗、仿生、环保等领域拥有巨大的应用潜力。
柔性光子芯片的制造技术
柔性光子芯片的制造技术是实现其高性能应用的关键，原材料需要通过加工转化为具有特定功能和特性的器件。与刚性光子芯片不同，柔性光子芯片需要在保持高光学性能的同时，具备优异的机械柔韧性和可拉伸性，以适应复杂的环境和动态变形。因此，制造工艺不仅依赖于复杂的微纳加工技术，还需要创新性的材料和工艺，以确保器件在弯曲、折叠或拉伸状态下高效工作。通过精细加工可以实现精密微纳结构，从而调控光的传播、提高器件性能并实现与其它光电子元件的集成。柔性光子芯片的制造方法主要包括薄膜沉积（如图4）、微纳加工（如图5）和印刷技术（如图6）等。多种技术的结合可以制造复杂的结构、提高效率、降低成本，满足大规模生产需求。
图4 薄膜沉积示意图
图5 微纳加工工艺流程图
图6 印刷工艺示意图
FPSC的应用
在心血管监测过程中，刚性传感器易受到运动引起的信号漂移的影响，而FPSC的保形皮肤粘附和应变隔离设计能有效抑制身体活动时的运动伪影。FPSC表现出卓越的生物力学兼容性，能够与人体皮肤的曲线和动态形态的无缝保形贴合。对于持续心血管评估，FPSC独特地融合了光学精度和机械韧性（如图7）。同步监测多个生理参数对于全面评估个体健康状况至关重要，因为它可以反映各类生理指标的变化，为精准健康管理和个性化医疗决策提供数据基础（如图8）。这种生物力学适应性、生物相容性和多功能集成的协同组合，使柔性光子传感器成为在多样化环境中实现连续、实时健康监测的变革性解决方案。
图7 用于可穿戴心血管信号监测的柔性光子器件示例
图8 用于可穿戴多模态监测的柔性光子芯片传感系统示例
用于可植入系统的FPSC必须具备卓越的生物相容性、最低免疫原性和长期生理稳定性。相较于皮肤贴附式可穿戴器件，可植入系统面临更复杂的生物界面，必须在体内组织环境中抵御生物化学腐蚀、免疫反应和长期机械应力。其良好的杨氏模量使其在与生物组织交互作用时能更好地模拟组织的力学性能，从而避免力学性能差异过大引发的组织损伤。柔性光子芯片具有高灵敏度光学传感特性。通过无创或微创监测，FPSC可以实时监测生理信号和生物标志物的变化，为糖尿病、心血管疾病和神经系统疾病的早期诊断和动态管理提供技术支持，同时降低患者疼痛和感染风险。
图9 用于可植入健康监测的柔性光子芯片示例
在FPSC中，“仿生”旨在模仿生物系统的结构和功能特征，例如视网膜、皮肤机械感受器和昆虫复眼的设计理念。例如，视觉应用的柔性光子芯片模拟杆状细胞和锥状细胞的分层处理机制，展现出短期增强（STP）和长期抑制（LTD）等突触行为。触觉传感芯片模拟了人类皮肤中的默克尔细胞和鲁菲尼末梢，实现了高分辨率压力检测和纹理识别。这些仿生原理超越了结构模仿，实现了功能模拟，使FPSC能在紧凑、集成形态下再现复杂的感官处理过程。
图10 仿生视觉光子芯片的功能演示
图11 柔性光子芯片在光子皮肤中的应用
总结与展望
综上所述，柔性光子传感芯片（FPSC）融合了柔性光子学和集成电子学。与传统的刚性电子器件相比，FPSC具有可拉伸性、可弯曲性、低功耗、高灵敏度、抗电磁干扰和生物相容性等独特优势。它能在复杂环境下实现高精度生理信号监测和仿生传感功能，在健康监测和仿生应用领域取得了显著进展。
图12 柔性光子芯片的发展前景
通过开发新材料、优化制造工艺、实现多模态功能集成和提高生物相容性，柔性光子芯片有望在生物医学、智能机器人等领域获得更广泛的应用。借助人工智能（AI）和大数据技术，可实现对健康数据的高效分析，提供个性化的健康管理解决方案。通过对生物神经系统的深入研究，开发更精确模拟生物感知能力的柔性光子芯片和算法，可实现更先进的传感功能，推动芯片与生物系统的深度融合，真正实现智能人机协同的新纪元。
论文链接：https://doi.org/10.1002/flm2.70007
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