可穿戴電容壓力傳感器用于人體生理信號(hào)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(shí)實(shí)現(xiàn)傳感器的高靈敏度和低成本化,并獲得最佳的機(jī)械穩(wěn)定性和超低的檢測(cè)極限,以用于精細(xì)的生理信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)備,是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。針對(duì)上述問題,本文報(bào)道了一種用于超低壓測(cè)量的高靈敏度、高可靠性電容壓力傳感器(CPS)的簡(jiǎn)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(cè)限。此外,它還可以在較寬的壓力范圍(0-400 kPa)內(nèi)實(shí)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(shí)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(cè)生理信號(hào)(脈搏率、呼吸、肌肉運(yùn)動(dòng)和眼部抽搐)來確定患者的健康狀況,是下一代人機(jī)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(duì)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(duì)于MXene含量(以wt%計(jì))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(jī)電特性。(a)基于不同靜電紡絲時(shí)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(duì)變化(ΔC/C0)取決于MXene含量(以wt%計(jì))。(d)在0.4 mm的恒定壓縮距離下,含不同MXene濃度(以wt%計(jì))的介電層的CNS基傳感器的相對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)間。(i) 與之前的報(bào)告相比,該傳感器在低壓范圍內(nèi)以低檢測(cè)限報(bào)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(duì)變化。(b)通過依次加載和卸載約38 mg的長(zhǎng)粒米來說明檢測(cè)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(cè)試。插圖顯示了穩(wěn)定性測(cè)試開始和結(jié)束時(shí)的選定循環(huán)。
圖6.CNS基傳感器在連續(xù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)中的應(yīng)用。(a)動(dòng)脈脈搏波的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。插圖:附著在手腕皮膚區(qū)域的傳感器的照片。(b)單個(gè)脈沖波形的放大圖,包含其特征峰的詳細(xì)信息。(c)在運(yùn)動(dòng)前后進(jìn)行呼吸監(jiān)測(cè)。插圖:傳感器附著在口罩上的照片,以監(jiān)測(cè)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(cè)初級(jí)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(zhǎng)按傳感器可生成國(guó)際摩爾斯電碼信號(hào)。(g)通過可逆地打開和閉合拳頭來監(jiān)測(cè)肌肉的收縮和擴(kuò)張。插圖:附著在腹腕肌肉上的傳感器照片。(h)監(jiān)測(cè)在眼睛抽搐期間由眼部肌肉振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)。插圖:附著在眼睛皮膚附近的傳感器的照片。(i)傳感器對(duì)重復(fù)和不同波形的不同發(fā)聲的識(shí)別能力。插圖:附著在喉嚨表皮上的傳感器照片。