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可穿戴電容壓力傳感器用于人體生理信號采
2021-02-223893

可穿戴電容壓力傳感器用于人體生理信號采集

近年來,具有柔性、生物相容性和可拉伸性的高靈敏度壓力傳感器在可穿戴電子設備和智能皮膚領域引起了廣泛關注。然而,要同時實現傳感器的高靈敏度和低成本化,并獲得最佳的機械穩定性和超低的檢測極限,以用于精細的生理信號監測設備,是一個相當大的挑戰。針對上述問題,本文報道了一種用于超低壓測量的高靈敏度、高可靠性電容壓力傳感器(CPS)的簡易制備方法,通過將MXene(Ti3C2Tx)/聚偏二氟-三氟乙烯(PVDF-TrFE)復合納米纖維支架(CNS)夾在生物相容性聚(3,4-亞乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)電極之間作為介電層。所制備的傳感器具有0.51 kPa-1的高靈敏度和1.5 Pa的最低檢測限。此外,它還可以在較寬的壓力范圍(0-400 kPa)內實現線性傳感,即使在超高壓(大于167 kPa)下也能在10000次循環期間實現較高的可靠性。與原始PVDF-TrFE納米纖維支架相比,通過MXene負載可提高納米纖維基傳感器的靈敏度,從而將介電常數提高至40,壓縮模量降低至58%。該傳感器可通過監測生理信號(脈搏率、呼吸、肌肉運動和眼部抽搐)來確定患者的健康狀況,是下一代人機界面設備的良好候選設備。

 

圖1.CNS基壓力傳感器的制備過程和結構。(a)展示CNS基壓力傳感器的制備過程示意圖。(b)CNS的TEM圖像,顯示單層和多層MXene納米薄片。插圖為高分辨率的TEM,顯示與MXene(002)平面相對應的0.93 nm的層間距。(c)照片顯示不同MXene濃度的CNS和制成的傳感器。(d)CNS的FESEM圖像,插圖顯示更高放大倍率下的形態。(e)復合納米纖維的EDS圖顯示了C、F、O和Ti元素。

 

圖2.CNS的示意圖和表面特征。(a)顯示將MXene引入聚合物基體后獲得的協同作用的示意圖。(b,c)各種MXene濃度的CNS的XRD和FTIR分析。(d)含5 wt%MXene濃度CNS的 C 1s區XPS光譜。

 

圖3.不同樣品的電氣特性(a)CNS相對于MXene含量(以wt%計)的介電常數和損耗正切。(b)介電常數的頻率依賴性。

 

圖4.CNS基壓力傳感器的機電特性。(a)基于不同靜電紡絲時間的CNS基傳感器的性能比較。(b)傳感器在高達0.4 mm壓縮距離的穩定載荷下的壓縮應力-應變性能。(c)CNS基傳感器的初始電容(C0)和電容的相對變化(ΔC/C0)取決于MXene含量(以wt%計)。(d)在0.4 mm的恒定壓縮距離下,含不同MXene濃度(以wt%計)的介電層的CNS基傳感器的相對電容變化(ΔC/C0)。(e)ΔC/C0的描述性圖,說明了MXene負載量為5 wt%時獲得的壓力靈敏度。插圖顯示了傳感器在低壓區域的靈敏度。(f)對于不同的MXene濃度,在0.3 mm的恒定壓縮距離下,CNS基傳感器的循環電容響應(加載/卸載),以及(g)在不同的加載/卸載壓力值下,MXene濃度為5 wt%的CNS基傳感器的循環電容響應。(h)在壓力為1.5 kPa的加載/卸載循環中的響應和松弛時間。(i) 與之前的報告相比,該傳感器在低壓范圍內以低檢測限報告的靈敏度方面的性能。

 

圖5.(a)低壓加載和卸載循環下電容響應的相對變化。(b)通過依次加載和卸載約38 mg的長粒米來說明檢測下限(LOD)。(c)在約167 kPa的高壓(大于40%壓縮)下,CNS基壓力傳感器在10000次加載和卸載循環后的循環穩定性測試。插圖顯示了穩定性測試開始和結束時的選定循環。

 

圖6.CNS基傳感器在連續和實時監測人體生理信號中的應用。(a)動脈脈搏波的實時監測。插圖:附著在手腕皮膚區域的傳感器的照片。(b)單個脈沖波形的放大圖,包含其特征峰的詳細信息。(c)在運動前后進行呼吸監測。插圖:傳感器附著在口罩上的照片,以監測呼吸頻率。(d)圖解為傳感器在4.8 Hz的靜態震顫頻率下模仿手指敲擊以檢測初級帕金森氏病。插圖:模仿手指以恒定頻率敲打傳感器表面的照片。(e)在4.8 Hz的特定震顫頻率下模仿敲擊的放大圖。(f)短按和長按傳感器可生成國際摩爾斯電碼信號。(g)通過可逆地打開和閉合拳頭來監測肌肉的收縮和擴張。插圖:附著在腹腕肌肉上的傳感器照片。(h)監測在眼睛抽搐期間由眼部肌肉振動產生的信號。插圖:附著在眼睛皮膚附近的傳感器的照片。(i)傳感器對重復和不同波形的不同發聲的識別能力。插圖:附著在喉嚨表皮上的傳感器照片。

 

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