一种超柔性生物电-光电信号贴片传感器及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种超柔性生物电

【技术实现步骤摘要】
一种超柔性生物电
‑
光电信号贴片传感器及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种超柔性生物电
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光电信号贴片传感器及其制备方法与应用，属于柔性电子


技术介绍

[0002]柔性可穿戴电子设备是未来健康监测中重要的硬件之一。区别于传统电子器件刚性的印象，新兴的可穿戴电子设备具有截然不同的力学性能，包括可折叠性、可弯曲性、可拉伸性等，将在健康监测等诸多领域引起变革。与传统测量手段相比，柔性电子器件具有与皮肤贴合度高、接触阻抗低、适合长期佩戴、对人体伤害小等独特优势，将满足未来可穿戴式健康监测设备的发展需求。
[0003]运动心率、血氧饱和度等是监测心血管健康的重要指标。光电容积脉搏波描记法(PPG)是监测人体脉搏信息的常用方法，利用皮肤内的血液容积在脉搏作用下周期性的变化，入射光通过透射或反射方式将容积变化信号传送到光电探测器，获得脉搏血流变化信息。当用两种不同波长的入射光所产生的信号进行比例分析，考虑氧合和脱氧血红蛋白在特定波长下不同的摩尔消光系数，可进一步提取血氧饱和度特征，柔性PPG传感器将会成为心血管健康监测中不可或缺的硬件之一，本征柔性的有机光电二极管将是柔性PPG传感器的合适选择。此外，由于近红外光可有效地穿过皮肤组织而无明显衰减，从更宽的区域内收集信号，不易受运动或其他信息干扰，从而有效提高测试的精确度和信号的稳定性。对应于脉搏波信号与血氧饱和度的测量来说，940nm左右的光是PPG传感器能利用的近红外窗口中信号最佳的区域，但是在该窗口具有良好光电响应的有机半导体材料选择较为困难。特别是无法构建一种与硅光电二极管性能相当又具备极致柔性的PPG传感器限制了该领域的进一步发展。
[0004]相较于PPG基于光电容积变化提供的脉搏信号，心电图(ECG)信号提供了基于生物电的脉搏信号，两者结合能提升脉搏信息的准确度与可信度。此外PPG与ECG信号分别携带了血管中动脉血流动与心脏搏动的额外信息，通过对两者信号的分析与拟合，可得到更多的健康监测指标。如ECG的R峰与PPG信号中收缩峰的差值称为脉搏到达时间(PAT)，该指标与血压存在线性关系，可通过建立模型估算受试者的血压变化情况。但目前商用ECG电极如Ag/AgCl凝胶电极或者各类金属干电极由于物理形态与导电性能的限制，少有可与柔性PPG传感器集成形成柔性小尺寸传感器以实现上述功能。
[0005]综上，如能构建PPG
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ECG集成贴片，在一个超柔性贴片式传感器上实现对光电
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电生物信号的同时监测，那将对于设计新一代可穿戴健康监测设备具有重要意义。但目前要得到高性能近红外敏感超柔性光电探测器与高导电低界面阻抗的柔性电极都具有技术瓶颈。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种超柔性生物电
‑
光电信号贴片传感器及其制备方法与应用，实现人体皮肤的紧密贴合和对健康参数的实时精确监测，为未来超柔性可穿戴健康监测设备提供了原型演示与思路。
[0007]为达到上述目的，本专利技术首先提供了一种超柔性生物电
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光电信号贴片传感器，其包括依次设置的封装层、光电探测器层、衬底层、粘附层、电极层；其中：
[0008]所述封装层的材质为耐水氧材料；
[0009]所述光电探测器层为近红外有机光电二极管；
[0010]所述衬底层为耐水氧材料制成的层；
[0011]所述粘附层的材质为水凝胶材料；
[0012]所述电极层的材质为导电聚合物材料。
[0013]在上述贴片传感器中，优选地，所述封装层满足以下条件中的一个或两个：
[0014]所述封装层的材质为聚对二甲苯(Parylene)或氟化聚合物(Teflon)；
[0015]所述封装层的厚度为0.1μm
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5μm。
[0016]在上述贴片传感器中，优选地，所述光电探测器层包括外接导线以及依次设置的正极、第一界面层、感光层、第二界面层、负极。更优选地，正极的厚度为10
‑
200nm、第一界面层的厚度为5
‑
50nm、感光层的厚度为50
‑
300nm、第二界面层的厚度为5
‑
50nm、负极的厚度为50
‑
200nm。
[0017]在上述贴片传感器中，优选地，所述光电探测器层满足以下条件中的一个或两个以上的组合：
[0018]所述光电探测器层的厚度小于1μm；
[0019]所述感光层为近红外敏感的有机体相异质结；
[0020]所述第一界面层和第二界面层的材质为氧化物或聚合物；
[0021]所述正极的材质为金属；
[0022]所述负极为透明导电薄膜；
[0023]所述外接导线为金属薄膜。
[0024]根据本专利技术的具体实施方案，优选地，所述感光层为PTB7
‑
Th聚合物给体与COTIC
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4F非富勒烯小分子和PC
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BM富勒烯混合受体所组成的有机体相异质结。更优选地，PTB7
‑
Th聚合物给体、COTIC
‑
4F非富勒烯小分子、PC
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BM富勒烯混合受体的质量比为1：(1
‑
2)：(0.1
‑
1)。
[0025]根据本专利技术的具体实施方案，优选地，作为第一界面层和第二界面层的材质的氧化物包括ZnO、SnO2、MoO
x
、NiO中的一种或两种以上的组合，所述聚合物包括PEI(聚乙烯亚胺)、PEIE(聚乙氧基乙烯亚胺)、PEDOT:PSS中的一种或两种以上的组合；更优选地，所述第一界面层为MoO
x
空穴传输层，所述第二界面层为PEIE
‑
Zn电子传输层。MoO
x
代表锰的氧化物，例如MnO、MnO2、Mn2O3，但不限于此。其中，PEIE
‑
Zn
[0026]根据本专利技术的具体实施方案，优选地，作为正极材质的金属包括银、铝中的一种或两种的组合。
[0027]根据本专利技术的具体实施方案，优选地，所述负极的材质为ITO导电玻璃。
[0028]根据本专利技术的具体实施方案，优选地，所述外接导线为在cPI衬底上进行图案化生
长的Cr/Au导线。
[0029]在上述贴片传感器中，优选地，所述衬底层满足以下条件中的一个或两个以上的组合：
[0030]所述衬底层为耐水氧材料制成的平整的层；
[0031]所述衬底层的材料为聚对二甲苯、PI或PET；
[0032]所述衬底层的表面经过光刻胶的平整化处理；
[0033]所述衬底层的厚度为0.5μm
‑
5μm。
[0034]在上述贴片传感器中，优选地，所述粘附层满足以下条件中的一个或两个以上的组合：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超柔性生物电
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光电信号贴片传感器，其包括依次设置的封装层、光电探测器层、衬底层、粘附层、电极层；其中：所述封装层的材质为耐水氧材料；所述光电探测器层为近红外有机光电二极管；所述衬底层为耐水氧材料制成的层；所述粘附层的材质为水凝胶材料；所述电极层的材质为导电聚合物材料。2.根据权利要求1所述的贴片传感器，其中，所述封装层满足以下条件中的一个或两个：所述封装层的材质为聚对二甲苯或氟化聚合物；所述封装层的厚度为0.1μm
‑
5μm。3.根据权利要求1所述的贴片传感器，其中，所述光电探测器层包括外接导线以及依次设置的正极、第一界面层、感光层、第二界面层、负极；优选地，所述光电探测器层满足以下条件中的一个或两个以上的组合：所述光电探测器层的厚度小于1μm；所述感光层为近红外敏感的有机体相异质结；优选地，所述感光层为PTB7
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Th聚合物给体与COTIC
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4F非富勒烯小分子和PC
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BM富勒烯混合受体所组成的有机体相异质结；更优选地，PTB7
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Th聚合物给体、COTIC
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4F非富勒烯小分子、PC
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BM富勒烯混合受体的质量比为1：(1
‑
2)：(0.1
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1)；所述第一界面层和第二界面层的材质为氧化物或聚合物；优选地，所述氧化物包括ZnO、SnO2、MoO
x
、NiO中的一种或两种以上的组合，所述聚合物包括PEI、PEIE、PEDOT:PSS中的一种或两种以上的组合；更优选地，所述第一界面层为MoO
x
空穴传输层，所述第二界面层为PEIE
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Zn电子传输层；所述正极为金属，优选为银、铝中的一种或两种的组合；所述负极为透明导电薄膜；优选地，所述负极的材质为ITO导电玻璃；所述外接导线为金属薄膜；优选地，所述外接导线为在cPI衬底上进行图案化生长的Cr/Au导线；优选地，所述正极的厚度为10
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200nm、第一界面层的厚度为5
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50nm、感光层的厚度为50
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300nm、第二界面层的厚度为5
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50nm、负极的厚度为50
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200nm。4.根据权利要求1所述的贴片传感器，其中，所述衬底层满足以下条件中的一个或两个以上的组合：所述衬底层为耐水氧材料制成的平整的层；所述衬底层的材料为聚对二甲苯、PI或PET；所述衬底层的表面经过光刻胶的平整化处理；所述衬底层的厚度为0.5μm
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【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓敏，楼子瑞，成会明，苏阳，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：