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  柔性可穿戴電子器件具有質輕、易結合皮膚、能承受力學變形等特點，逐漸在日常生活中嶄露頭角。尤其是在生物傳感器方面，已經(jīng)成為心率、血壓等涉及到身體健康生物信號監(jiān)測的重要器件。問題在于，目前所采用的生物傳感器，普遍需要使用外部供能驅動，極大地限制了柔性可穿戴優(yōu)勢的極致發(fā)揮。

  有鑒于此，日本理化研究所Kenjiro Fukuda, Keisuke Tajima和Takao Someya等團隊合作，發(fā)展了一種基于納米圖案化有機太陽能電池的自供能超柔性生物傳感器，實現(xiàn)了對心率的實時精準監(jiān)測！

圖1. 自供能超柔性生物傳感器示意圖

  研究人員以經(jīng)典的超薄聚對二甲苯作為基底，在此之上集成OPV（有機光伏器件）和OECTs（有機電化學晶體管）。聚對二甲苯是一種完全線性的高度結晶結構的材料，采用獨特的真空氣相沉積工藝制備，致密無針孔、透明無應力、不含助劑、不損傷工件、有優(yōu)異的電絕緣性和防護性，是目前最有效的防潮、防霉、防腐、防鹽霧涂層材料之一。

圖2. 設計雙柵格納米圖案的柔性OPV

  在OPV制造工藝中，引入納米圖案化的ZnO結構，解決了柔性電子器件的兩個老大難問題：

• 1） 納米圖案加速電子在OPV中的傳遞，實現(xiàn)OPV效率最大化，可大達到10.5%，是目前柔性電子器件中的最高值之一。

• 2）納米圖案削弱入射光的反射，確保器件性能不受光照角度的影響。

  考慮到DVD碟片上有這種納米圖案來儲存信息，研究人員就找了一塊空白DVD，先將DVD上的納米圖案復制到柔性印章，然后通過軟刻蝕技術在OPV上成功構造納米圖案。

  力學變形導致電學性能不穩(wěn)定，是柔性電子器件面臨的普遍問題。該研究中，研究人員利用OPV的超薄特性將器件黏合在預拉伸的橡膠材料上。研究發(fā)現(xiàn)，器件不僅可以在應用在曲面，還能被拉伸2倍長度而不造成電學性能損失。即便是900圈拉伸松弛循環(huán)測試之后，器件效率仍可保留75%。

  另外，這種OECTs可在1 V左右的低壓條件下工作，OPV完全可滿足功能要求，即便是在標準室內光照條件下。

圖3. 力學性能測試

圖4. 器件集成

  小白鼠活體測試表明，在LED的連續(xù)光照下，器件可實現(xiàn)對心臟心率信號的實時精準監(jiān)測，靈敏度是常規(guī)能源驅動的OECTs的3倍以上。這主要是因為，沒有外部功能之后，避免了外部連接導致的信號波動。

圖5. 心臟信號監(jiān)測

  在全面實現(xiàn)柔性可穿戴集成之前，這項工作還面臨2大問題：

  1.電學信號的傳遞，仍然是采用傳統(tǒng)的Si基硬質電子器件。

  2.OPV自供能僅適用于小功率器件，高能耗器件無法使用。

  總之，這項研究采用納米圖案化的超薄太陽能電池，實現(xiàn)了柔性可穿戴生物傳感器進行自供能驅動，是近年來柔性可穿戴器件領域的里程碑之作，為柔性可穿戴器件的發(fā)展指明了新方向！

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0536-x