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作者：Lynn
下一代可穿戴電子裝置需要柔韌性和可拉伸性，以便能夠與人體緊密結合。目前市場上的光電探測器都是基於剛性的無機晶體材料，其機械柔性有限。相比之下，基於有機聚合物和分子的光電探測器由於其固有的機械柔性、易於加工、可調的光電特性、良好的光感測效能和生物相容性，已經成為很有前途的替代選擇。
健康檢測感測器
脈衝血氧儀是可穿戴式有機光探測器研究最多的應用之一，它是一種無創測定血氧飽和度（SO2）的方法，透過在兩個不同波長的光體積描記術（PPG）對氧血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）濃度進行光學定量。脈衝血氧計使用發光二極體（LEDs）發出可見光和/或近紅外光，然後使用光電探測器根據HbO2和Hb在該光譜區域的不同吸收強度來區分HbO2和Hb的濃度。透過測試在不同波長下HbO2和Hb的摩爾消光係數比值發現（圖1a），綠光區（ ε Hb/ ε HbO2
圖1 使用有機光電探測器監測健康訊號
一種全有機脈衝血氧計，包括溶液處理的、紅色和綠色發光的有機發光二極體和印刷的PTB7：PCBM BHJ光電二極體。由於當時綠色OLED和光電探測器材料具有優越的效能和溶液處理能力，所以選擇了綠色/紅色燈的組合來代替標準的紅色/近紅外燈。另一種方案是將一個單一的紅色發光OLED置於兩個有機光電二極體之間，每個二極體與一個帶通濾波器耦合，分別選擇性地吸收紅色和近紅外光（圖1b）。該整合裝置是在柔性塑膠襯底上製作的，能夠在反射模式下探測肌肉組織的氧飽和度。此外，該裝置能夠探測等距和等張力肌肉收縮，從而控制機械臂的運動。後來，有人開發了一種極柔性可穿戴電子面板裝置，帶有三色OLED和有機光電二極體，可以跟蹤和顯示脈搏和血氧水平（圖1c）。脈搏血氧計用膠布貼在面板上，膠布的厚度為6μm。反射模式脈衝血氧測量是透過將OLED驅動到5V來實現的，透過監測光電二極體開路電壓的變化來探測血液中反射的綠光/紅光的強度。由於電子面板器件的良好附著力，脈衝光體積譜（PPG）訊號產生的噪聲小，重複性好。最近有人開發了一種反射式有機脈衝血氧計，它由單片整合的OLEDs和超低功耗（約為幾十 W）的有機光電二極體組成（圖1d）。透過對色光在人體面板內傳播的光學模擬，設計出具有最佳檢測效率的理想器件佈局，並透過匹配柔性襯底與面板之間的折射率，實現反射光的最大收集。
近紅外敏感有機光電探測器的發展進一步提高了可穿戴脈搏血氧計的效能。由於近紅外光在組織中傳播距離遠、無毒，因此比可見光更適合於生物醫學應用。此外，監測光在紅色和近紅外區域的吸收提供了HbO2和Hb吸收之間最大的對比，從而使血氧測量的準確性更高。有人報道了一種基於柔性印刷有機光電系統的大面積二維反射率血氧計陣列，包括4個紅色和4個近紅外印刷OLED 和8個有機光電二極體（圖1e）。光電二極體和有機發光二極體陣列是透過印刷技術（刀片塗層和絲網印刷）在單獨的襯底上，然後組裝成高效能血氧計陣列。這個陣列允許一個區域的二維氧合對映，而不是像以前相關工作中演示的一個點。
除了近紅外檢測外，高速檢測也有利於監測生物訊號（≈200 Hz）。使用有機電晶體（＜10Hz）和矽光電二極體（＜100Hz）幾乎都達不到這樣的檢測速度。最近有研究者報道了一種高速、近紅外和面板適形的有機光電二極體，截止頻率超過1 kHz，在 3 dB處，當放置在指紋上時可以執行PPG（圖1f）。該裝置穩定性非常好，即使在極端的機械變形條件下（半徑為3 m的彎曲迴圈1000次），也幾乎沒有退化的跡象。透過對BHJ有源層的電阻和電容的調製，實現了低暗電流、高精度、快速的光開關。
總的來說，這些研究強調了使用有機光電探測器進行持續健康監測的前景，方法是把它們直接貼在身體部位上。有機光電探測器穩定性和一致性的進一步發展可能使其能夠直接附著在器官上，以監測手術期間和術後的血氧水平。
影象感測器與機器視覺
與傳統的無機成像器件相比，有機光電探測器的一個優點是易於實現全色檢測。傳統的光電探測器的吸收範圍很廣，覆蓋了整個可見光譜，顏色選擇性通常需要使用紅、綠、藍濾光片來區分顏色（如拜耳濾光片）。然而，濾光片的使用減少了光的數量，因此限制了探測能力。此外，一旦影象被捕獲，就會有一個複雜的“去噪”過程，包括使用演算法來形成一個全綵影象。另一方面，有機影象感測器可以實現全綵色選擇性簡單地使用材料的顏色選擇性吸收波段。
除了顏色選擇性外，近紅外光和x射線的窄帶檢測也非常適合用於未來的影象感測器，如夜間監視和醫學成像。
有機材料優越的機械效能也使它們適合於柔性和彎曲的影象感測器，這使得平面圖像感測器無法實現的新功能成為可能。同樣，有機光電探測器陣列由於其高度的靈活性和魯棒性，也能夠實現曲面影象平面。
溶液處理的有機光電電晶體陣列由於其高光導增益所提供的高信噪比，在影象檢測方面也很有前途。有機光電電晶體陣列已經在非開關無源或有源畫素結構中實現，由於其薄膜電晶體器件的幾何形狀，它們通常比光電二極體更容易形成有源畫素。
圖2 基於有機光電二極體的影象感測器
自供電整合可穿戴電子裝置
將自供電功能引入可穿戴感測器是實現連續感測的一個重要要求，因為它可以避免週期性地更換電源。然而，大多數現有的可穿戴感測器依賴於與外部電源的連線，而外部電源通常需要連線大量的電線，這限制了它們的移動應用。因此，可拉伸和與面板共性的能量產生與儲存裝置，對於整合穿戴式或植入式感測器進行持續健康監測至關重要。
目前，已經提出了幾種型別的可穿戴電源，用於為可穿戴裝置提供自供電功能，包括基於振動的能源收割機和熱電發電機。另外，輕便靈活的光伏電池也很有前途，因為只需將裝置置於光照下，就可以為整合裝置提供電力（圖3a，b）。有機光電二極體具有良好的機械柔性和變形魯棒性，是一種極具發展前景的自供電可穿戴裝置。此外，如上所述，可以緊緊包裹在3D物體上的超柔性有機光電二極體已經證明了其熱穩定性和抗空氣和水分的能力，使其適合長期穿戴或植入操作。
這種新穎的方法為超柔性有機光電與功能性可穿戴電子感測器的整合鋪平了道路。附著於面板或皮下植入感測器的低功耗可穿戴感測器可透過光伏電池從陽光或LED照明中獲取能量，實現自供電。此外，有機光電二極體的可調吸收範圍也是自供電應用的一大優勢。例如，與矽電池相比，基於BHJ共混物的有機光伏與室內白色LED照明有更好的光譜重疊，因此，與矽電池相比，有機光伏是更有效的發電裝置。此外，用於吸收近紅外光的有機光電二極體，由於其穿透長度較大，適用於向皮下植入裝置供電。
圖3 具有有機光電二極體的自供電整合可穿戴裝置
參考文獻Philip C。 Y。 Chow and Takao Someya， Organic Photodetectors for Next-Generation WearableElectronics。 Adv。 Mater。 2019， 1902045。
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