组成图示
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传感器类型
可穿戴生物传感器
检测对象
脑电（electroencephalogram, EEG）/头皮生物电位电场（scalp biopotential electric field），样品基质：人体头皮（scalp）
检测原理
该传感器以头皮生物电位产生的电场为输入。当 EEG 电场作用于 PAAM 水凝胶时，电活性聚合物向正极方向弯曲，凝胶密度、体积和折射率随之改变。入射光穿过水凝胶时，因折射率变化和凝胶表面角度变化而发生透射、反射与衰减变化，形成与电场强度相关的调制光。调制光经光纤传输至光电二极管，光电流随光强变化而改变，再由皮安表和计算机采集读出。该过程不依赖生物分子识别或酶/核酸放大，信号放大主要依靠薄水凝胶形变增强和光纤光路耦合；水凝胶越薄，弯曲响应越快，频率响应越好。
检测灵敏度
灵敏度: 1 V 电场产生约 0.4 nA 光强变化；皮安表灵敏度: 0.01 pA；2.2 μm 厚 PAAM 水凝胶对应 2.2 μV 电场。
效应效果
实验表明，PAAM 水凝胶在所选频率范围内均可响应，可覆盖 delta（≤3 Hz）、theta（4–7 Hz）、alpha（8–12 Hz）及部分 beta（12–30 Hz）频段；信号波动归因于皮安表限制。作者报告头皮电位约 75 μV（间距 25 cm），对应电场约 3 μV/cm；1 V 电场产生约 0.4 nA 光强变化，2.2 μm 厚水凝胶对应 2.2 μV 电场，皮安表灵敏度 0.01 pA。未报告选择性、抗干扰、RSD、稳定性或回收率。作者主张该非接触光子电极可避免导电凝胶、金属导线和电磁干扰，便于集成柔性脑帽，适用于 BCI 与 AAL。
传感器的构成
- 柔性基底/集成层：PVC 多层薄膜（polyvinyl chloride, PVC），作为可穿戴脑帽载体，保护并固定光纤与传感器。
- 光导层：optical fiber（光纤），将光源光导入传感区并传输调制光至探测器。
- 传感/换能层：PAAM 水凝胶（polyacrylamide hydrogel），电活性聚合物，受电场发生弯曲、密度与折射率变化，调制透射光。
- 电场施加电极：copper electrodes（铜电极），实验中将水凝胶置于两电极间并施加正弦差分电压，产生电场。
- 光源：QTH 灯（quartz–tungsten–halogen lamp, 250 W），提供入射光信号。
- 光谱选择元件：monochromator（Cornerstone 130），选择/限制光波长。
- 光电检测与读出：photodiode（S1336-5BQ, Hamamatsu）+ picoammeter（Keithley 467）+ 计算机采集软件，将光强变化转为电流并记录。
中文摘要
可穿戴设备用于连续、无创地记录多种生理信号，在环境辅助生活（AAL）和脑机接口（BCI）等应用中尤为重要。其中，脑电图（EEG）采集是核心挑战，传统脑帽需要导电凝胶、金属电极和复杂佩戴步骤，舒适性与集成性不足。本文提出一种基于电活性聚丙烯酰胺（PAAM）水凝胶的光纤光子传感器，用于可穿戴脑帽中的头皮生物电位记录。该传感器利用电场使水凝胶发生弯曲、体积和折射率变化，从而调制透射光，并通过光电探测器将光信号转换为电信号，实现非接触式电极功能。作者搭建了电学与光学联合测试平台，对水凝胶施加正弦电场并测量透射光变化，评估其电活性、灵敏度和频率响应。结果表明，该 PAAM 水凝胶传感器在微伏级电场范围内具有足够灵敏度，并具备良好频率响应，可作为可穿戴生物电位记录系统的候选传感元件。
英文摘要
Wearable devices are used to record several physiological signals, providing unobtrusive and continuous monitoring. These systems are of particular interest for applications such as ambient-assisted living (AAL), which deals with the use of technologies, like brain-computer interface (BCI). The main challenge in these applications is to develop new wearable solutions for acquisition of electroenchephalogram (EEG) signals. Conventional solutions based on brain caps, are difficult and uncomfortable to wear. This work presents a new optical fiber biosensor based on electro-active gel - polyacrylamide (PAAM) hydrogel - with the ability to measure the required EEG signals and whose technology principle leads to contactless electrodes. Experiments were performed in order to evaluate the electro-active properties of the hydrogel and its frequency response, using an electric and optical setup. A sinusoidal electric field was applied to the hydrogel while the light passes through the sample. An optical detector was used to collect the resultant modulated light. The results have shown an adequate sensitivity in the range of μV, as well as a good frequency response, pointing the PAAM hydrogel sensor as an eligible sensing component for wearable biopotential recording applications.