容量传感器 吉大团队开发有机光电容积描记法传感器，功耗仅为同类器件的40%

吉大团队开发有机光电容积描记法传感器，功耗仅为同类器件的40%

在当今社会，随着生活节奏的加快和工作压力的增大，心血管疾病已成为威胁人类健康的头号杀手。

根据世界卫生组织的数据，心血管疾病每年导致全球约 1790 万人死亡，占总死亡人数的 31%。

这一严峻的现实促使科研人员和医疗专家寻求更为有效的方法来监测和预防心脏病。

现有的可穿戴医疗设备，尤其是那些用于监测心率和血氧饱和度的光电容积描记法传感器，虽然在一定程度上满足了人们对于健康监测的需求，但仍存在一些显著的问题。

首先，这些设备通常采用刚性的无机发光二极管和光电探测器，与人体皮肤的柔软性和可变形性不匹配，导致在佩戴过程中容易产生运动伪影和噪声，影响监测数据的准确性。

其次，现有设备的功耗较高，对于长时间连续监测造成了限制，尤其是在电池供电的移动设备上，这一问题尤为突出。

为了解决这些问题，吉林大学刘士浩副教授所在团队开发了一种新型有机光电容积描记法传感器。

图 | 刘士浩（来源：刘士浩）

该传感器不仅能够提供更准确、更稳定的生理信号监测，同时还能显著降低功耗，提高设备的佩戴舒适性。

本次研究的核心在于：利用微腔有机发光二极管和环形有机光电探测器的组合，通过调整微腔有机发光二极管的光学微腔，来实现光线的角度定向发射。

从而优化光线在人体皮肤和组织中的传播路径，增强从动脉血管反射回来的光信号，提高交流信号的强度，并通过这一方式来提升信号的质量和准确性。

同时，通过优化器件结构和电路设计，课题组将传感器的功耗降低到了 9.96 微瓦，这是目前报道的同类器件功耗的 40% 左右，为可穿戴医疗设备的发展提供了新的可能性。

（来源：Laser & Photonics Reviews）

日前，相关论文以《基于定向发射微腔有机发光器件的有机光辐射传感器》（Organic Photoplethysmography Sensor Based on Directional Emission Microcavity Organic Light-Emitting Device）为题发在 Laser & Photonics Reviews[1]。

吉林大学硕士生朱浩是第一作者，吉林大学刘士浩副教授、张乐天教授、谢文法教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Laser & Photonics Reviews）

审稿人认为通过微腔有机发光二极管实现的定向角发射技术，显著提高了传感器对脉搏信号的捕捉能力，同时大幅降低了功耗。

这一技术不仅简化了传感器识别过程，而且实现了前所未有的低功耗水平，这对于电池驱动的可穿戴设备来说是一个巨大的突破。

审稿人还赞扬了研究团队在提高交流信号、减少基线漂移和改善交流/直流比率方面的努力，认为这将为未来的可穿戴健康监测技术提供重要的技术支持。

在未来几年内，本次成果具可能在以下几个方面产生深远影响：

其一，个人健康管理。

随着人们健康意识的增强，对于能够实时监测健康状况的便携式医疗设备的需求日益增长。

本次开发的有机光电容积描记法传感器可以集成到智能手表、健康监测手环等可穿戴设备中，为用户提供实时的心率监测和健康评估，帮助人们更好地了解自己的健康状况，并采取适当的健康干预措施。

其二，远程医疗监测。

在全球范围内，随着医疗资源的不均和老龄化社会的到来，远程医疗监测成为了一个重要的解决方案。

而本次成果可用于远程医疗系统中，通过长时间的连续监测，帮助医生及时了解患者的健康状况。

尤其是在家庭护理和慢性病管理方面，这一技术将发挥重要作用。

其三，运动和军事领域。

在运动训练和军事行动中，对个体的生理状态进行实时监测至关重要。

光电容积描记法传感器可以应用于运动员的训练监测和士兵的战场生存系统中，通过精确监测心率和其他生命体征，提高训练效果和作战效能。

其四，智能医疗设备。

随着医疗技术的发展，越来越多的医疗设备需要集成高精度的生理信号监测功能。

光电容积描记法传感器可以作为核心组件，应用于各种智能医疗设备中，如智能血压计、心电图机等，提高这些设备的监测精度和用户体验。

其五，人工智能和大数据。

随着人工智能和大数据技术的发展，未来的医疗健康领域将更加依赖于数据驱动的决策。

光电容积描记法传感器可以与这些技术相结合，通过收集和分析大量的生理数据，为个性化医疗和疾病预防提供支持。

基于当前的研究成果，研究团队已经制定了后续的研究计划。

首先，课题组将继续对有机光电容积描记法传感器的性能进行优化，包括进一步提高信号的采集效率和稳定性、以及降低功耗。

具体来说，他们计划通过改进器件的材料和结构设计，以及采用先进的制造技术来实现这些目标。

其次，该团队计划探索将传感器与其他生物传感技术相结合，开发集成化的健康管理平台。

此外，还将研究如何将 AI 技术应用于光电容积描记法数据的分析和解释中，以提供更深入的健康洞察。

最后，课题组希望通过与医疗保健行业的合作，将这项技术转化为实际的产品和服务，造福更广泛的用户群体。

参考资料：

1.Zhu, H., Yu, H., Zhang, J., Zhang, Y., Zhang, L., Liu, S., & Xie, W. (2024). Organic Photoplethysmography Sensor Based on Directional Emission Microcavity Organic Light‐Emitting Device.Laser & Photonics Reviews, 2400042.

运营/排版：何晨龙

瞭望·瞭望访谈 加速光纤传感技术自主可控——专访中国工程院院士姜德生

中国工程院院士姜德生

过去十年我们解决了光纤传感网络中传感器端的问题，未来十年我们要解决解调器端的问题

部署新一代智能传感网络中卡脖子关键技术研发及上下游产业链建设，形成具有我国自主知识产权的成套生产技术与装备，形成以光纤通信、光纤传感、光器件产业为主导，物联网、大数据、人工智能竞相发展的格局

文 |《瞭望》新闻周刊记者 李伟

光纤传感本质安全，可靠性高，对大国重器意义重大。中国工程院院士、武汉理工大学战略科学家姜德生是我国光纤传感新技术研究的先驱者，他带领团队打破国外技术产品垄断，构建了具有我国自主知识产权的光纤传感成套生产技术与装备，使光纤传感技术在国内实现了从无到有、从有到优的跃升。

姜德生团队成功研制出我国第一个光纤传感器，攻关了新一代大容量光纤传感网络核心技术，首次工业化生产出单纤超过十万个光栅传感器的产品，形成了大容量、高密集、高精度的光栅阵列光纤传感网络系统，使我国光纤传感技术在国际上实现了从跟跑向并跑、领跑的战略性转变。

姜德生团队开发的光纤传感产品被同行评价为“带来了监测领域里的一场革命”。近日，《瞭望》新闻周刊对话这位与共和国同龄的院士，畅谈科研创新之路，探讨老一辈科学家带领团队从解决实际问题出发做不懈追光者的启示。

光纤传感设备有了“中国芯”

《瞭望》： 当前我国光纤传感设备是否已经实现自主可控？

姜德生： 光纤传感技术的原理多样，体系庞杂，国内外有很多研究机构和企业展开相关的研究，提供各种各样的光纤传感器产品和系统解决方案。美国、日本和欧洲发达国家，都将光纤传感列为重点支持的优先发展技术，我国的相关研究一度被多方掣肘。

早期，国内做光纤传感器基本仿制国外，但部分参数达不到国内行业标准。长期以来，光纤传感很多关键器件被国外垄断，例如光栅波长信号解调的一个核心器件大约2万美元一支，一个小指头大小的东西，比黄金还贵。当我国提出以较低的价格批量进口时，遭到拒绝。这种被别人卡脖子的憋屈，让我们下定决心自己攻关。经过三年攻坚，我们研制出性能更优、成本更低的核心光器件。后来，这家外国公司主管三次到中国来，提出按照原价格的1/3卖给我们，以在中国占领更多市场，被我们婉拒。

如今，在我们研究的光栅阵列光纤传感网络及其智能化应用的领域，从制备方法、工艺到装备均具有自主知识产权，完全自主可控。

我们团队经过几百个日夜的攻关，在全国率先研制出了具有自主知识产权的光纤光栅感温火灾报警技术与系统，并投入国家油库工程使用。我们团队积极促进光纤传感技术的标准化和产业化，推动了光纤传感领域第一个国家标准的编制与颁布。我们团队开发的七大类30余种光纤传感器，形成了具有我国完全自主知识产权的光纤传感成套生产技术与装备，打破了公路隧道等领域进口产品一统天下的局面，极大降低了建设成本。

《瞭望》： 你们团队在光纤传感技术研制中突破了哪些技术难题？

姜德生： 根据光纤光栅传感技术发展的需求和存在的关键问题，我们开展了大量研究，成功突破了光纤光栅传感技术工程应用的两大瓶颈问题：研制出编码光纤光栅，解决了普通光纤光栅无法大容量多点分布式检测的难题；发明了角调谐波长解调方法，实现了光纤光栅解调技术的自主创新。这些创新技术具有自主知识产权，在国际上占有重要地位。

我们团队把服务范围扩大到经济建设的方方面面，推动更多行业转型升级。例如在2006年，陕西秦岭终南山隧道火灾报警工程进行国际招标，国外某知名光纤传感企业参与竞争时提供的方案，不仅需要大量后期维护，报警时间也需要好几分钟。而我们的火灾报警装置，解决了20公里长距离无中继的世界难题，报警反应时间只需不到20秒，每公里的建设成本只有国外产品的1/3。最后，我们以技术第一中标。此后，国外同类产品逐步退出我国市场。截至目前，光栅火灾报警系统装备了中国2万公里隧道、90%的油库火灾安全监测，为国家安全和国民生活提供保障。

近年来，针对交通强国战略对光纤传感网络的新需求，我们积极开展新一代大容量光纤传感网络核心技术攻关，取得了世界领先的创新成果，在国际上首次工业化生产出单纤超过十万个光栅传感器的产品，形成大容量、高密集、高精度的光栅阵列光纤传感网络系统。该技术已在机场智能跑道、智慧地铁、智能高速公路等多个国家战略任务和重大工程中实现示范应用，为多个行业高质量发展提供关键智能化平台和核心数据支撑，得到行业和相关部门的高度好评。

加速光纤传感产业发展

《瞭望》： 光纤传感网络核心技术研发方面还存在哪些瓶颈？如何看待这些挑战？

姜德生： 过去十年我们解决了光纤传感网络中传感器端的问题，未来十年我们要解决解调器端的问题。光纤传感网络在各个行业的示范应用显现出了巨大的市场应用前景。然而现有光纤传感网络的信号解调仪表，由很多分立的高端光、电芯片和器件组合而成。随着传感网络覆盖面积的增加，解调器需要的空间变大，我们在光纤传感网络全时全域智慧高速示范项目中，需要专门修建一个机房放解调器。此外成本限制了大规模应用，比如我们现在光纤传感网络桥梁健康监测系统已经得到行业的高度重视和好评，但是按照现有解调器价格水平和现有桥梁规模计算，即使每座桥只使用一台解调器，总耗资也将超过1000亿元。因此迫切需要通过光纤传感的芯片化研究实现光纤传感解调仪表的高集成和低成本。

《瞭望》： 如何加速解调器端等的技术、产业发展？

姜德生： 解调器里面的高端光、电芯片和器件的关键技术仍存在诸多卡脖子问题，高端的光、电芯片及器件依赖进口，国产化率低，受到国外供应商的垄断。在越来越复杂的国际关系下，实现下一代解调仪表的研发突破形势严峻。同时，对于航空航天、深海深地等特殊应用场景的传感，虽然市场规模不大，却是国家重大战略部署领域，不仅要求传感系统的小型化、低重量、高可靠，而且对软硬件的国产化、安全性提出了较高的要求，传统采用分立器件的系统集成方法已难以满足需求。

目前国内外都缺乏适用于大规模光纤传感网络的光、电芯片和器件的完整体系、整体统筹。因此，研制面向光纤传感的光、电芯片和器件，改变分立芯片和器件构建光纤传感解调仪表的传统模式，是众多行业领域智能化升级的迫切需求，也是极有可能另辟赛道实现跨越式发展的有效途径。

在智能化物联网高速发展的当下，建议加快部署新一代智能传感网络中卡脖子关键技术研发及上下游产业链建设，形成具有我国自主知识产权的成套生产技术与装备，形成以光纤通信、光纤传感、光器件产业为主导，物联网、大数据、人工智能竞相发展的格局。

在位于湖北省武汉市的长飞光纤光缆股份有限公司光纤生产车间内，工作人员对光纤进行检测（资料照片） 肖艺九摄/本刊

完善技术标准与安全法规

《瞭望》： 在制定和完善相关的技术标准与安全法规方面，你有哪些建议？

姜德生： 近40年，我和团队积极促进光纤传感技术的标准化和产业化。如今，在各类工程及各类结构健康及安全监测领域中，对温度、应变、微振等信号的监测精度、覆盖范围、空间分辨率、智能化数据采集等指标都提出了越来越高的要求。随着光纤传感技术的不断发展与完善，进一步制定和完善相关的技术标准与安全法规是确保光纤传感系统可靠性和安全性的重要措施。

在技术标准方面，需要进一步建立完善相关应用指南，重点关注重大工程、网络安全、物理保护以及安全培训和意识提升等。定期对光纤传感系统安全法规的实施效果进行评估，根据评估结果和新的安全风险情况，对安全法规进行持续改进和完善，进一步提高光纤传感系统的可靠性和安全性，为各行各业提供更优质的服务。

《瞭望》： 推动国产光纤传感技术的持续进步，在加强产学研用合作，构建协同创新生态系统方面需要怎么做？

姜德生： 大容量光栅阵列光纤传感网络在众多行业领域中的应用不仅在中国是第一次，而且在世界上也属首次，缺乏相关标准、规范。针对这一问题，建议做三件事：

第一与不同行业领域的头部企业、顶级设计院、科研院所紧密合作、协同创新，开展示范应用，联合制定相关标准。我们和中信科、国家管网、中国商飞等企业深度合作，共同推进光纤传感网络技术在不同行业、不同领域的工程化应用，为国家战略任务与重点工程实施提供“专精特新”解决方案。

第二搭建产业发展与技术创新的交流平台，比如发起成立光纤传感技术和产业创新联盟、主办学术会议和产业论坛等。

第三要积极推动并实施专利转让与成果转化，加快技术转移扩散，助力高质量发展。

此外，学科交叉是创新的重中之重，需要在涉及光纤传感技术的各个学科之间做好融合贯通，用多学科交叉的创新思维解决行业痛点堵点。■

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