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可穿戴电容压力传感器用于人体生理信号采
2021-02-222431

可穿戴电容压力传感器用于人体生理信号采集

近年来,具有柔性、生物相容性和可拉伸性的高灵敏度压力传感器在可穿戴电子设备和智能皮肤领域引起了广泛关注。然而,要同时实现传感器的高灵敏度和低成本化,并获得最佳的机械稳定性和超低的检测极限,以用于精细的生理信号监测设备,是一个相当大的挑战。针对上述问题,本文报道了一种用于超低压测量的高灵敏度、高可靠性电容压力传感器(CPS)的简易制备方法,通过将MXene(Ti3C2Tx)/聚偏二氟-三氟乙烯(PVDF-TrFE)复合纳米纤维支架(CNS)夹在生物相容性聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)电极之间作为介电层。所制备的传感器具有0.51 kPa-1的高灵敏度和1.5 Pa的最低检测限。此外,它还可以在较宽的压力范围(0-400 kPa)内实现线性传感,即使在超高压(大于167 kPa)下也能在10000次循环期间实现较高的可靠性。与原始PVDF-TrFE纳米纤维支架相比,通过MXene负载可提高纳米纤维基传感器的灵敏度,从而将介电常数提高至40,压缩模量降低至58%。该传感器可通过监测生理信号(脉搏率、呼吸、肌肉运动和眼部抽搐)来确定患者的健康状况,是下一代人机界面设备的良好候选设备。

 

图1.CNS基压力传感器的制备过程和结构。(a)展示CNS基压力传感器的制备过程示意图。(b)CNS的TEM图像,显示单层和多层MXene纳米薄片。插图为高分辨率的TEM,显示与MXene(002)平面相对应的0.93 nm的层间距。(c)照片显示不同MXene浓度的CNS和制成的传感器。(d)CNS的FESEM图像,插图显示更高放大倍率下的形态。(e)复合纳米纤维的EDS图显示了C、F、O和Ti元素。

 

图2.CNS的示意图和表面特征。(a)显示将MXene引入聚合物基体后获得的协同作用的示意图。(b,c)各种MXene浓度的CNS的XRD和FTIR分析。(d)含5 wt%MXene浓度CNS的 C 1s区XPS光谱。

 

图3.不同样品的电气特性(a)CNS相对于MXene含量(以wt%计)的介电常数和损耗正切。(b)介电常数的频率依赖性。

 

图4.CNS基压力传感器的机电特性。(a)基于不同静电纺丝时间的CNS基传感器的性能比较。(b)传感器在高达0.4 mm压缩距离的稳定载荷下的压缩应力-应变性能。(c)CNS基传感器的初始电容(C0)和电容的相对变化(ΔC/C0)取决于MXene含量(以wt%计)。(d)在0.4 mm的恒定压缩距离下,含不同MXene浓度(以wt%计)的介电层的CNS基传感器的相对电容变化(ΔC/C0)。(e)ΔC/C0的描述性图,说明了MXene负载量为5 wt%时获得的压力灵敏度。插图显示了传感器在低压区域的灵敏度。(f)对于不同的MXene浓度,在0.3 mm的恒定压缩距离下,CNS基传感器的循环电容响应(加载/卸载),以及(g)在不同的加载/卸载压力值下,MXene浓度为5 wt%的CNS基传感器的循环电容响应。(h)在压力为1.5 kPa的加载/卸载循环中的响应和松弛时间。(i) 与之前的报告相比,该传感器在低压范围内以低检测限报告的灵敏度方面的性能。

 

图5.(a)低压加载和卸载循环下电容响应的相对变化。(b)通过依次加载和卸载约38 mg的长粒米来说明检测下限(LOD)。(c)在约167 kPa的高压(大于40%压缩)下,CNS基压力传感器在10000次加载和卸载循环后的循环稳定性测试。插图显示了稳定性测试开始和结束时的选定循环。

 

图6.CNS基传感器在连续和实时监测人体生理信号中的应用。(a)动脉脉搏波的实时监测。插图:附着在手腕皮肤区域的传感器的照片。(b)单个脉冲波形的放大图,包含其特征峰的详细信息。(c)在运动前后进行呼吸监测。插图:传感器附着在口罩上的照片,以监测呼吸频率。(d)图解为传感器在4.8 Hz的静态震颤频率下模仿手指敲击以检测初级帕金森氏病。插图:模仿手指以恒定频率敲打传感器表面的照片。(e)在4.8 Hz的特定震颤频率下模仿敲击的放大图。(f)短按和长按传感器可生成国际摩尔斯电码信号。(g)通过可逆地打开和闭合拳头来监测肌肉的收缩和扩张。插图:附着在腹腕肌肉上的传感器照片。(h)监测在眼睛抽搐期间由眼部肌肉振动产生的信号。插图:附着在眼睛皮肤附近的传感器的照片。(i)传感器对重复和不同波形的不同发声的识别能力。插图:附着在喉咙表皮上的传感器照片。

 

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