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(shè)備和智能皮膚領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。然而，要同時實現(xiàn)傳感器的高靈敏度和低成本化，并獲得最佳的機械穩(wěn)定性和超低的檢測極限，以用于精細(xì)的生理信號監(jiān)測設(shè)備，是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。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(fù)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(nèi)實現(xiàn)線性傳感，即使在超高壓（大于167 kPa）下也能在10000次循環(huán)期間實現(xiàn)較高的可靠性。與原始PVDF-TrFE納米纖維支架相比，通過MXene負(fù)載可提高納米纖維基傳感器的靈敏度，從而將介電常數(shù)提高至40，壓縮模量降低至58％。該傳感器可通過監(jiān)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(shè)備的良好候選設(shè)備。

圖1.CNS基壓力傳感器的制備過程和結(jié)構(gòu)。（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(yīng)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(tài)。（e）復(fù)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(xié)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(qū)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(shù)和損耗正切。（b）介電常數(shù)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(dá)0.4 mm壓縮距離的穩(wěn)定載荷下的壓縮應(yīng)力-應(yīng)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(fù)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(qū)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(huán)電容響應(yīng)（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(huán)電容響應(yīng)。（h）在壓力為1.5 kPa的加載/卸載循環(huán)中的響應(yīng)和松弛時間。（i） 與之前的報告相比，該傳感器在低壓范圍內(nèi)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(huán)下電容響應(yīng)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(huán)后的循環(huán)穩(wěn)定性測試。插圖顯示了穩(wěn)定性測試開始和結(jié)束時的選定循環(huán)。

圖6.CNS基傳感器在連續(xù)和實時監(jiān)測人體生理信號中的應(yīng)用。（a）動脈脈搏波的實時監(jiān)測。插圖：附著在手腕皮膚區(qū)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(xì)信息。（c）在運動前后進行呼吸監(jiān)測。插圖：傳感器附著在口罩上的照片，以監(jiān)測呼吸頻率。（d）圖解為傳感器在4.8 Hz的靜態(tài)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(jiān)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(jiān)測在眼睛抽搐期間由眼部肌肉振動產(chǎn)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(fù)和不同波形的不同發(fā)聲的識別能力。插圖：附著在喉嚨表皮上的傳感器照片。