可穿戴摩擦電脈搏波傳感器制作的實驗研究

劉小青，謝 非，王 立

（1.南昌大學理學院，南昌 330031；2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所微納光子學與材料國際實驗室，長春 130033）

0 引言

面臨心血管疾病對人體健康日益劇增的威脅［1］，實時監測心血管的各項信息，對于心血管疾病的預防與預后有著重要意義。脈搏波是心臟搏動產生的沿動脈血管和血流向外周傳播而形成的波，它的波幅和形態中攜帶了人體大量的心血管系統生理和病理信息，其特征指數可以有效反映人體生理狀況和各項指標［2-3］。因此對脈搏參數的監測在臨床診斷方面和基礎研究都具有非常重要的意義和價值。

脈搏監測設備研制開始于上世紀50 年代，至今主要有兩類監測脈搏的智能設備：一是通過測量電容、電阻或使用壓電材料來體現動脈壓力變化的脈搏傳感器［4-5］，該類設備依賴于高性能材料；另一類是通過測量手指末端透光率的光電式脈搏傳感器，其極易受到外界干擾，如背景光干擾、電磁干擾等［6］。這兩類脈搏監測設備都必須配備外接電源，工作電路系統復雜，各自的缺點限制了它們的應用范圍。因此越來越多的研究人員將目光投向了柔性可穿戴脈搏傳感器［7-10］。

本文通過利用摩擦電納米發電機［11-14］的工作原理實現環境中機械能到電能的轉換來解決監測設備需外接電源問題，利用生活中常見的塑料聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚四氟乙烯（PTFE）做主要材料，解決柔性、靈敏度和成本問題，制備了一種柔性可穿戴、自驅動、高靈敏、低成本的摩擦電脈搏波傳感器（TGPs），該探測器在人體橈動脈處進行無創實時監測脈搏波的性能良好。

1 TGP-s的制備

摩擦電脈搏波傳感器的主要材料有PET、PTFE，其制備流程如圖1 所示，主要包括PET、PTFE 的處理和TGP-s的組裝。

圖1 TGP-s制備流程圖

1.1 PET處理方法

（1）利用銑床加工或直接壓膜定制帶有凹槽PET，大小2 cm ×2 cm，厚度0.4 mm，凹槽深度0.2 mm，凹槽直徑12 mm，如圖1 所示；

（2）在PET表面的凹槽內均勻涂抹導電銀膠，將溢出凹槽外的導電銀膠清理干凈后，放置一段時間，待其固化；

（3）處理漆包線兩端使之能夠導電，利用銅膠帶將漆包線固定在PET表面的凹槽內。

1.2 PTFE處理方法

（1）用剪刀剪裁一個大小10 cm × 10 cm 的PTFE，利用無水乙醇清洗PTFE，確保PTFE表面清潔；

（2）將清理后的PTFE平整地放置在電子束真空鍍膜機的樣品盤上，控制適當的蒸發速率，蒸鍍120 nm的銅金屬層作電極；

（3）將蒸鍍了金屬層的PTFE剪裁成若干個3 cm×3 cm的小正方形；

（4）處理漆包線兩端使之可以導電，利用銅膠帶將漆包線固定在PTFE蒸鍍了金屬層的一面。

1.3 TGP-s組裝

（1）處理后的PET凹槽周圍粘貼雙面膠。

（2）將處理后的PTFE 薄膜與無塵紙摩擦，PTFE薄膜充分摩擦后（摩擦是為了讓電子從無塵紙上轉移至PTFE，使PTFE表面帶有一定量的負電荷［15］，該處理方法可有效地提高傳感器的輸出電壓），將PTFE 平整放置在無塵紙上。

（3）除去PET 表面雙面膠的隔離紙，沿PTFE 沒有金屬鍍層一面的邊緣覆蓋其表面。

（4）剪去邊緣多余的PTFE 薄膜后，使用Kapton膠帶封裝整個傳感器，同時起到絕緣作用。

（5）為了使傳感器在測量過程中不受人體電勢的影響，對暴露在外側的PTFE 薄膜金屬鍍層表面采用Kapton膠帶作為絕緣層，該處理既可保留PTFE 薄膜材料的良好柔性，也能更好地保護傳感器上的電極不受損耗。除外，兩個電極引出的漆包線焊接到帶有水晶頭的導線上，便于傳感器的更換和傳感器與數據采集設備連接。

本探測器采用的PET 最大厚度為0.4 mm，較小的厚度使得它具有很好彈性性能，可以保證傳感器與橈動脈充分接觸；PTFE 的厚度僅有0.1 mm，良好的柔性使得它能更加靈敏地感知人體脈搏搏動，大大提高了傳感器的靈敏度；帶有凹槽結構的PET可很好地解決摩擦電納米發電機中對兩種材料接觸-分離式的摩擦需求，僅0.2 mm的凹槽深度，對于采集人體中機械振動較弱的脈搏搏動來說十分靈敏，可以有效將脈搏搏動的機械能轉化為電信號。除外，本探測器內嵌式的凹槽結構，更有利于傳感器的封裝，避免了因外界環境氧化、腐蝕以及空氣濕度等因素影響到傳感器的穩定性。

2 TGP-s的結構與工作原理

TGP-s的基本結構是由帶有金屬鍍層的PET 和PTFE薄膜組成，如圖2 所示。兩種材料表面的金屬鍍層作為電極（通過實驗校正，規定PTFE 表面的金屬銅層為傳感器的正電極，PET 表面的金屬銀膠層為傳感器的負電極），使用銅膠帶將兩端去除絕緣層的漆包線固定在兩個電極上，用來連接數據采集設備的輸入端。

圖2 TGP-s的結構示意圖

TGP-s是基于摩擦電納米發電機工作原理，實現環境中機械能到電能的轉換，如圖3 所示。在初始狀態，PET上的金屬銀膠層和PTFE 薄膜是分離的，當一個外界刺激作用到TGP-s 上時，銀膠層與PTFE 薄膜接觸摩擦，由于摩擦起電效應，電子從銀膠層流到PTFE薄膜，兩種薄層上產生等量異種的電荷。當這個外界刺激被移除時，銀膠層與PTFE 薄膜將會由于PET的彈性而分離，它們的接觸面之間形成電勢差，若用外部負載將兩個電極連接起來，則電子經外電路流回PET膜上的金屬銀膠層，從而平衡銀膠層與PTFE薄膜間形成的電勢差。當銀膠層與PTFE 薄膜重新發生接觸，摩擦電荷形成的電勢差消失，電子從PET 膜上的金屬銀膠層回流至PTFE 薄膜。TGP-s 就是在這樣不斷的接觸分離過程中輸出交變變化的電流信號［7］。

圖3 TGP-s的工作原理

3 TGP-s性能測試

TGP-s使用方法：將TGP-s固定到人的橈動脈上，由于PTFE材料良好的柔性使其更容易感知人體脈搏的搏動，因此PTFE 面與人體皮膚接觸。測試前，將TGP-s與信號采集設備連接，在信號的輸入端連接一個短路開關，其作用是消除在固定傳感器的過程中，由于上下兩薄膜不斷地摩擦而積累的電勢，每次測量前，先將傳感器的正電極和負電極短路，平衡這一部分電勢后再斷開開關，最后開始監測脈搏波的時域信號，并將采集到的時域數據進行傅里葉變換，得到頻譜圖。

3.1 TGP-s穩定性分析

為驗證本脈搏波傳感器的穩定性，隨機選取一個TGP-s傳感器對護理專業中使用到的模擬人設備進行了脈搏監測。圖4 是對頻率為60 r/min的信號進行了監測，將采集到的數據進行傅里葉變換處理，得到的頻譜圖。

圖4 傳感器監測模擬人設備橈動脈處信號的頻譜圖

用該TGP-s對模擬人設備進行兩組脈搏監測。首先將傳感器固定到模擬人的橈動脈處，進行第1 組的連續測量4 次，然后將傳感器摘除并重新捆綁固定，再進行第2 組的連續4 次測量，實驗結果分別如表1、2所示。

表1 傳感器第1 組連續4 次監測的頻譜中各級諧波的幅度及其相對誤差

從實驗結果來看，在諧波幅值方面，對于相同傳感器相同位置，每1 次測量之間仍有一定誤差，但是該誤差是極小的，最大的相對誤差也僅有1.67%，說明本脈搏波傳感器對于脈搏信號的監測是十分穩定的。特別值得關注的是，對于相同的信號源，其每一次測量的諧波都出現在相同的頻率上，即使調整固定傳感器的位置和捆綁力度，也不會影響頻譜中諧波的頻率，表明TGP-s對于監測與時間有關的信息是十分準確且穩定的。

表2 傳感器第2 組連續4 次監測的頻譜中各級諧波的幅度及其相對誤差

3.2 不同人群的監測結果

用TGP-s對不同人群的脈搏進行了監測，圖5～8分別給出了測試人群中2 名青年女生、2 名青年男生、2 名女性中年教師、2 名男性中年教師（青年對象：18～23 歲；中年對象：35～45 歲）脈搏波及頻譜圖。

圖5 兩名青年女生橈動脈脈搏波頻譜圖

可以看出，在4 位青年人的脈搏波中，P波和D波十分明顯，極易區分，且P波和D波都非常尖銳，反映出了青年人的血管具有非常好的彈性；中年人的脈搏波中，無論是P波還是D波都相對較寬，普遍已經有T波出現的趨勢，大部分監測者的脈搏波出現D 波消失的現象，這是由于隨著年齡的增長，人體中血管的彈性不可避免地逐漸降低，從而會引起脈搏波形發生明顯改變。

圖6 兩名青年男生橈動脈脈搏波頻譜圖

圖7 兩名中年女性教師橈動脈脈搏波頻譜圖

圖8 兩名中年男性教師橈動脈脈搏波頻譜圖

通過對不同人群的脈搏波監測結果來看，TGP-s可以監測到不同人群脈搏波之間的差異性，驗證了TGP-s的普適性。

3.3 運動前后脈搏波的監測結果

圖9 所示為一位23 歲健康（無基礎疾病，無感冒、咳嗽、發炎等癥狀）青年人1 h籃球運動前后的脈搏波及頻譜對比。測量運動前的脈搏數據時，在被監測者的橈動脈處標記傳感器的固定位置，便于運動后固定在相同位置，減小因測量位置不同帶來脈搏波的差異。從對比圖像可以看出，被監測者運動前后的心率和脈搏波的波形都有著明顯的差異。被監測者的脈搏波運動后尾波消失，D 波更加明顯，且心率明顯增加；頻譜方面，運動后的頻譜各級諧波分量發生偏移，出現在更高的頻率位置；頻譜中第1 次諧波的頻率恰好對應著被監測者的心跳頻率。從被監測者運動前后的脈搏波及頻譜中表現出來的差異性，表明TGP-s 對個體不同生理狀態的監測是有效且準確的，對人體日常的脈搏信號的監測是可行的。

圖9 健康青年男性運動前（左）與運動后（右）的脈搏波及頻譜對比

4 結語

本文提出了一種基于摩擦電納米發電機實現可穿戴脈搏波傳感器制作的綜合性實驗方法。從實驗結果來看，TGP-s傳感器不僅可以靈敏監測到人體橈動脈的搏動，而且可以用采集到的數據清晰地描繪出脈搏波的波形，為從脈搏波中提取人體的生理病理信息奠定了基礎。由于使用的兩種主要材料價格十分低廉，且傳感器的制作工藝非常簡單，使得本脈搏波傳感器與傳統的醫用脈搏波診斷儀以及常見的光電式等脈搏傳感器相比，具有低成本、體積小、柔性可穿戴、自驅動，制備簡單等優勢，用于對人體日常的脈搏監測評估是有效且可行的。同時，本實驗需要設計信號采集及處理方案和真空蒸鍍技術，蘊含了確實可行的傳感器制備的創新思維，非常適合在普通高等院校物理、材料和生物及其相關交叉學科開展綜合性設計性實驗教學。