2024
Introduction of achievements
— 成果介绍 —
广东省光电芯片系统重点实验室
前言：
基于中山大学硫系材料微纳加工平台，我实验室光电芯片团队与香港理工大学张需明教授和华南师范大学潘竞顺副研究员合作，提出一种紧凑型无袖带式可穿戴血压光子芯片传感方案，该成果以“Cuffless wearable sphygmomanometers using dual digital optical frequency combs in chalcogenide chips”为题，于2024年10月15日发表在Advanced Functional Materials上，中山大学博士研究生钟锐峰为论文第一作者。
该传感器集成了GeSbS/AsS硫化物双微环芯片，具有低压检测（23 Pa）、高速响应（2 kHz）、抗温漂（<0.012 pm/°C）等优点。团队进一步利用新型数字光学频率双梳探测技术开发了可适用于光学传感器多点脉搏波并行探测方案，如图1所示，该方案提供了一种新的双梳产生思路，具有高灵活度、高稳定性、系统简单等优点，非常适合连续监测的移动可穿戴健康应用场景。
图1 基于硫系片上微腔传感器与数字光学频率双梳的脉搏探测示意图
01
研究背景
心血管疾病（CVDs）是全球首要的致死原因，每年导致约2050万人死亡，而血压是衡量心血管健康程度的重要指标。目前，医疗专业人员主要依赖基于袖带的传统血压计来测量静态血压值，如收缩压（SBP）、舒张压（DBP）和平均动脉压（MAP）。尽管这类血压计具有高精度（误差通常在5毫米汞柱内）和可靠性，但其体积较大且充气时会引起不适，不适合长时间连续监测。随着医疗需求的增长，无袖带血压监测技术迅速发展，这些技术包括声学和压力测量方法：声学血压计使用超声波换能器，可制成可穿戴设备，但在运动中易滑动，需要频繁校准；而压力传感器分为电学和光学两大类，前者便携且成本效益高，但响应速率有限，后者利用微光纤、布拉格光栅等技术，具有高灵敏度和强抗电磁干扰能力，但长期使用时对热稳定性要求较高。为了实现更好的可穿戴性、响应速度、灵敏度及宽广的压力感应范围，开发新的光学传感技术至关重要。
02
研究创新点
在器件设计方面，研究团队设计了一种硫系复合双微环器件作为传感单元。该芯片包含两个具有一定间距的级联微环和一条总线波导，每个微环在不同位置检测脉搏波，这种间隔设计有利于捕捉血流动力信息。硫族复合材料GeSbS和AsS被用于制造微环和波导，因其具有高折射率、低杨氏模量和高光弹性系数，对模场有很好的束缚性并对压力波有强烈的响应；同时，这两种材料具有相反但大小相近的热光系数，可以通过设计补偿温度漂移。加厚的PDMS聚合物包层不仅可以防止外界环境干扰，还提供了柔软的接触表面，生物兼容，适合长时间佩戴。
03
总结与展望
研究团队将数字双光梳系统与硫系双微环芯片结合，开发出一款无袖带、可穿戴的血压计，具有高灵敏度和快速响应能力。该设备采用GeSbS/AsS复合材料传感器，可以有效补偿温度变化。技术方面，创新性地提出了单路双梳系统，简化了传统设计，首次实现低带宽光电探测器的并行检测。未来将推动设备小型化，实现单片集成，以拓展其在个人健康管理等多领域的应用。
04
论文介绍
Cuffless wearable sphygmomanometers using dual digital optical frequency combs in chalcogenide chips
钟锐峰、潘竞顺、李强、李路亚、徐奕、傅志豪、杨水仙、刘正勇、余长源、吕超、张需明、李朝晖
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417142
供稿：钟锐峰
排版：唐万婵
初审：杨楠
审核：李朝晖
审定发布：刘飞
