当传感器能像皮肤一样贴合身体，当芯片能模拟生物感官感知世界，科技与生命的边界正在被柔性光子传感芯片（FPSCs）打破。柔性光子传感芯片是光子传感技术与柔性电子的完美结合，以光子为信息载体，借助光的产生、传输、调制和检测原理感知外界信号。这种融合光子学、材料科学与仿生设计的创新技术，正以超柔特性、超高灵敏度和生物相容性，重塑健康监测与智能仿生的未来图景。
基于此，华南师范大学柔性光子芯片团队陈杰威教授和李丽华教授等系统综述了FPSCs在可穿戴多参数健康监测与仿生感知应用中的最新进展。文章从柔性光子芯片的基本原理出发，深入探讨了其核心材料（如有机聚合物、纳米掺杂材料与可降解材料）、先进制造工艺（包括薄膜沉积、微纳加工与印刷技术）及其在健康监测、仿生视觉与光子皮肤等领域的创新应用。FPSCs具备高灵敏度、生物相容性、抗电磁干扰与机械柔性等优势，突破了传统刚性传感器在动态生理环境中信号漂移与佩戴不适的瓶颈。
图文导读
1.FPCS的柔性材料基础
图2. 基于有机材料的柔性光子器件。(A)基于 PET 基底制备的 PPG 传感器工作机制示意图。(B)基于 PDMS 制备的柔性光纤耦合器。(C-D)基于 PI / 石墨烯异质结的柔性视觉突触器件。(E)基于 TPU 的柔性可拉伸光子晶体薄膜。
图3.用于提供光信号的纳米材料掺杂柔性基底。(A)用于葡萄糖检测的金纳米颗粒复合水凝胶光纤。(B)基于上转换纳米颗粒能量转移的多模态光子传感芯片。(C)基于荧光碳量子点的胆红素检测荧光纳米纹身。
2.FPSCs的制造技术
图4. 薄膜沉积工艺。(A)GeSbS 和 AsS 薄膜的真空热蒸发工艺。(B)铜箔上石墨烯的化学气相沉积及湿法转移工艺。(C)黑相 CsPbI₃钙钛矿薄膜的旋涂制备流程。
图5. 微纳制造工艺。(A)柔性聚合物基底上的电子束光刻(EBL)图形化工艺。(B)基于 GeO 牺牲层的刚性-柔性基底转移工艺。(C)柔性基底上柱状支撑微盘阵列的双层电子束直写(EBDW)工艺。(D)微环谐振器的嵌入式柔性纳米压印光刻(DsNIL)工艺。(E)利用超快激光写入和紫外光聚合技术制备液晶波导。(F)300 毫米晶圆级柔性光子晶圆沉积、光刻、蚀刻、化学机械抛光(CMP)等工艺。
图6. 印刷工艺示意图。(A)喷墨印刷工艺。(B)丝网印刷工艺。(C)卷对卷(R2R)凹版印刷工艺。
3.FPSCs健康监测应用
图7. 可穿戴心血管信号监测柔性光子器件。(A-C)类皮肤微光纤布拉格光栅(μFBG)贴片。(D-E)基于光声效应的手腕表面 “诊断” 器件(OBS)。(F-H)双数字光频梳(DDOFC)硫系化合物血压传感器。
4.FPCs仿生应用
图11. 柔性光子芯片在光子皮肤中的应用。(A)微盘耦合波导结构的手势识别应用。(B)基于不对称双层结构色水凝胶(ADSCH)的光电双信号传感交互式离子皮肤。(C)可拉伸光电传感皮肤的大面积触觉传感技术。(D)柔性光纤环形谐振器(FRR)盲文识别光学触觉传感器系统。
总结与展望
FPSCs融合柔性光子学与集成电子学，凭借可拉伸性、生物相容性、抗电磁干扰等独特优势，在健康监测与仿生应用领域成效显著。其核心支撑源于先进材料（有机材料、纳米掺杂材料及生物可降解材料）为芯片提供了机械适应性、高灵敏度与生物安全性。薄膜沉积、微纳制造、印刷技术等制备工艺的创新与融合，平衡了芯片性能、柔性与规模化生产需求。在应用层面，FPSCs 实现了可穿戴设备对心率、血糖等多生理参数的实时精准监测，以及植入式器件对神经递质、胆红素等生物标志物的微创检测，同时在仿生视觉与光子皮肤领域，通过模拟生物感知系统，为智能机器人、人机交互等场景提供了新方案。
然而，FPSCs 仍面临材料多性能集成不足、制备成本高、长期稳定性待提升等挑战。未来需重点开发自修复、多物理耦合等新型柔性材料，优化制备工艺以降低成本，推进多模态传感融合与器件微型化。随着人工智能、大数据与生物神经系统研究的深度结合，FPSCs 有望在个性化医疗、智能人机协作等领域实现更广泛应用，推动柔性光子技术迈入智能化、集成化的全新发展阶段。
文章来源：https://url.scnu.edu.cn/record/view/index.html?key=ae7c3772c17431f498ae52b35618915f
原文链接：https://url.scnu.edu.cn/record/view/index.html?key=d630925fd14e5c82270e9c6d8f2f264b