用于生理信息感知的雙模態柔性傳感器的設計與制備

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A

Design and Preparation of Dual-mode Flexible Sensor for Physiological Information Sensing

QIN Mingze1 ，LI Yang1，2，LIN Qinhui

（1.School of Information Science and Enginering，University of Jinan，Jinan 25O022，Shandong，China; 2.School of Integrated Circuits，Shandong University，Jinan 25Oi01，Shandong，China）

Abstract：Tosolve theproblem thatitwas dificult fortraditional flexiblesensors tosimultaneouslycapturedual-mode physiological signalsandrealize dual-mode physiological information monitoring，adual-mode flexible sensor wasdesigned and prepared.The pressure andtemperature response characteristicsofthe sensor were investigated separately bychanging thecontrolvariables.Theresults showthat thesensor notonly hasalowerpressureresponselimit，ashorterresponse and recoverytime，and good bending and pressing durability，but alsoexhibitsa higherof temperaturesensitivity，ashorter response time，and a wider temperature detection range.Byataching the prepared dual-mode flexible sensor to the human wrist，the sensing of dual-mode physiological signals of body temperature and pulse is accomplished.

Keywords： flexible sensor； dual-mode sensing；physiological signal monitoring；integrated system

隨著柔性電子科技的發展與醫療監測水平的提高，一大批面向醫療輔助領域的可穿戴柔性傳感器不斷涌現[1-8]，常見的柔性傳感器通過貼附人體皮膚感知各類生理信息（例如皮膚壓力、皮膚溫度等信息）[9-13]。這些用作感知人體生理信號的柔性傳感器的形式主要包括電阻式、電容式、摩擦電式以及用于檢測微弱生理信號的電極貼片式等[14-15]，這些設備通常獨立工作，只能完成對被檢測者的某種生理信息的監測任務[16-17]。由于傳統的醫療設備難以隨身攜帶，并且它們不可穿戴的特性給人們健康監測帶來了不可避免的時空局限性，因此，具有多維度感知能力的柔性集成傳感設備是當前柔性電子領域的研究熱點[18-20] 。

雙模態柔性傳感器通常是指將2種不同功能的傳感單元集成到一個器件的柔性傳感器，用于實現組合功能，搭建功能齊全的監測系統[21-23]。Hozumi等[24]開發了一種將葡萄糖傳感器與體溫傳感器集成的片狀傳感單元，組合完成人體汗液中葡萄糖等有機物以及體溫的監測，在可穿戴醫療科技與疾病預防領域邁出了一大步。He等[25研究了一個將紡織型汗液傳感器件與紡織型電致發光陣列相結合的系統，實現了汗液中部分無機鹽含量監測與顯示于可穿戴衣物上。雙模態柔性傳感器是未來柔性可穿戴設備領域發展的方向之一[26-27]，因此，研發一種能感知雙模態信號（包括觸覺壓力信號和體溫信號）的可穿戴設備對于醫療輔助領域的發展具有十分重要的意義[28-29] 。

本文中基于二維度生理信息的采集策略，采用靜電紡絲技術與澆筑固化等簡單工藝制備一種雙模態信息感知與可視化交互的高度集成式柔性傳感器。首先引入微結構與紡絲結構提升整體可穿戴設備的性能，并測試這種雙模傳感器的壓力傳感特性和溫度傳感特性；然后，結合所提出器件的特性搭建一套雙模態人體生理信號監測系統，包括脈搏壓力監測、體表溫度監測等應用場景

1雙模態柔性傳感器的制備與表征

1.1 雙模態柔性傳感器的制備

雙模態柔性傳感器包括柔性壓力傳感和柔性溫度傳感2個部分。

1. 1. 1 柔性壓力傳感部分的制備

柔性壓力傳感部分采用傳統平行板電容結構[30]，頂部為銅電極，底部為聚二甲基硅氧烷（PDMS）與銀電極，中間層是超級離子電容傳感層。頂部銅電極是商用 0.06mm 厚銅膠帶。底部PDMS與銀電極的制作方法是將PDMS與交聯劑以質量比10：1 均勻混合，之后澆筑在帶有微結構的三維（3D）打印模板上，并將其置于溫度為 80^°C 的環境中 5h ，再取下固化后的PDMS薄膜，最后將其微結構一面經磁控濺射工藝生長一層金屬銀（參數：氬氣體積流量為 1.2×10^-3m³/h ，濺射氣體壓強為 2Pa ，直流功率為80W，濺射時間為 15min ），最終獲得PDMS與銀電極。

超級離子電容傳感層的制備：首先，配制的熱塑性聚氨酯（TPU）的質量濃度為 200g/L 的黏性溶液，溶劑為N， N- 二甲基甲酰胺（DMF）；其次，采用靜電紡絲工藝（如圖1所示），將TPU溶液在外電壓為 20kV 、推進速率為 0.5mL/h 的條件下紡絲10h 制備TPU纖維膜；然后，在常壓、溫度為 的條件下，取下纖維膜浸泡于1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽溶液（［EMIM]TFSI離子液體）中 2h ；最后，取出纖維膜，烘干"^1h"后即獲得了超級離子電容傳感層

1. 1. 2 柔性溫度傳感部分的制備

柔性溫度傳感部分采用熱敏電阻式三明治結構[31]，頂部為銅電極，底部為PDMS與銀電極，中間層為溫度傳感層。其中，頂部電極與底部電極的制備方法與壓力傳感部分一致，故不再贅述

溫度傳感層的制備：首先，配制TPU、聚（3，4-乙撐二氧噻吩）（PEDOT）-聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）與氯化鋰的二甲基亞礬（DMSO）溶液的混合溶液（取 ） 1g PEDOT-PSS、 0.5g 氯化鋰溶解于5mL 的DMSO溶劑中）；然后，采用靜電紡絲工藝，將上述混合溶液在外電壓為 20‰ 、推進速率為0.5mL/h 的條件下靜電紡絲 ^10h 制備獲得溫度傳感纖維膜。

1.2 測試表征

采用Regulus-8100型掃描電子顯微鏡（SEM，日本Hitachi公司）和Aztec型能量色散X射線譜儀（EDS，日本Hitachi公司）觀察、表征雙模態柔性傳感器的關鍵紡絲傳感層和底電極的表面形貌和元素分布。采用BF01-37型機械撞擊測試臺（瑞士Lin-Mot公司）、電阻抗源表測試儀（2450數字源表，美國Keithley公司）和數字電橋（LCR）源表測試儀（E4980A源表，美國Keithley公司）測試傳感器的電學性能。

2 結果與表征

2.1 柔性集成傳感器的結構與表征

雙模態柔性傳感器的器件結構及各傳感層的SEM圖像與EDS譜圖如圖2所示。由圖2（a）可以看到，該傳感器整體采用垂直的疊層結構，從下至上分別是底電極PDMS與銀電極、由TPU與PEDOT-PSS與氯化鋰構成的溫度傳感纖維膜、由TPU與[EMIM]TFSI離子液體構成的壓力傳感纖維膜、銅電極、聚酰亞胺（PI）。從圖2（b）的SEM圖像可以看出，底電極PDMS與銀電極表面的金字塔型微結構長度、寬度約為 300μm ，高度約為 200μm 。從圖2（c）中底電極PDMS與銀電極平面的EDS譜圖可知，底部PDMS上均勻分布大量銀元素。從圖2（d）的SEM圖像可以看出，壓力傳感纖維膜由靜電紡絲纖維交織構成，EDS譜圖顯示纖維中含氧、硫元素，進一步證明了其組分包含［EMIM]TFSI離子液體。圖2（e）中的SEM圖像與EDS譜圖表明，溫度傳感纖維膜是靜電紡絲工藝制備，并且硫、氮、鋰元素的分布驗證傳感器含有PEDOT-PSS和氯化鋰組分。

1—熱塑性聚氨酯與聚（3，4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯 磺酸鹽與氯化鋰;2—聚酰亞胺；3—銅電極；4—熱塑性 聚氨酯與1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽溶液； 5—聚二甲基硅氧烷與銀電極。

（a）雙模態柔性傳感器結構示意圖

圖2雙模態柔性傳感器結構及其各部分的微觀形貌與化學成分

2.2 雙模態柔性傳感器的綜合性能

針對雙模態柔性傳感器可將二維信息感知融合的特點，分別從壓力傳感性能和溫度傳感性能2個方面測試傳感器的綜合性能。

2.2.1 壓力感應性能

柔性壓力傳感器件的壓力響應相關電學性能如圖3所示。如圖3（a）所示，[EMIM]TFSI離子液體的含量對浸泡后的TPU紡絲膜的性能具有顯著影響。經EMIM]TFSI離子液體的質量分數為 75% 的溶液處理得到的器件，在施加壓力為 0～20kPa 時具有極高的靈敏度，當施加壓力為 20kPa 時，傳感器的電容變化是初始狀態的30000倍。另外，壓力傳感器件的最小響應極限是檢測壓力傳感器的重要性能指標，由圖3（b）可以看出，傳感器的壓力響應極限可達 1Pa 左右，能夠感知微小的壓力變化。壓力傳感器的響應、恢復時間的檢測結果如圖3（c）所示。由圖可以看出，在施加壓力為 50Pa 時，傳感器的響應時間小于 10ms ，恢復時間小于 20ms 。這種極短的響應、恢復時間與器件的微結構和纖維膜內部和表面無黏附性有關。

為了驗證制備的壓力傳感器件具有良好的壓力與彎折耐久特性，對其施加長時間的加-卸載壓力的耐久性測試，結果如圖3（d）所示。由圖可見，當傳感器經歷超過4000次的循環壓力測試后，仍能表現出相對穩定的電容響應，并且與循環500、3500次的電容波形對比可以發現，傳感器對壓力響應幾乎不變。此外，為了驗證傳感器的抗彎折性能，對傳感器進行長時間的彎曲-拉直的循環測試，結果見圖3（e）。結果顯示，當傳感器被彎折循環超過4000次時，器件的彎折電容變化響應依然保持相對穩定，彎折循環500、3500次的電容波形十分相似。

綜上分析，本文中制備的柔性壓力傳感器件具有良好的靈敏度、低檢測下限、快速響應時間以及良好的壓力與彎折耐久性。

2.2.2 溫度感應性能

柔性溫度傳感器件的溫度響應電學性能如圖4所示。首先測試不同材料制備的溫度傳感器件的溫度響應曲線，結果見圖4（a）。由圖可知：當紡絲材料為TPU與氯化鋰時，該導電纖維膜對溫度響應的靈敏度較低。這是由于TPU的疏水特性使得氯化鋰難以附著于紡絲纖維上。當紡絲材料為TPU與PEDOT-PSS時，纖維膜對溫度響應的靈敏度適中。當紡絲材料為TPU、PEDOT-PSS與氯化鋰時，纖維膜對溫度響應的靈敏度較高，因此本文中采用TPU、PEDOT-PSS與氯化鋰紡絲纖維膜作為溫度傳感層。

為了檢測溫度傳感器件在較大的溫度范圍內響應特性，測試了器件在溫度 30～100°C 的響應，結果見圖4（b）。結果顯示，器件對溫度響應的靈敏度逐漸減小。如圖4（c）所示，該溫度傳感器在溫度 30～40^°C 具有較高靈敏度，可以清晰地分辨 1^°C 的溫差，溫度每升高或降低 1^°C ，都會發生階躍響應。該溫度傳感器的響應時間如圖4（d）所示。結果顯示，當溫度從 30^qC 升高到 31^°C 時，傳感器產生相應的電阻變化的時間僅僅 750ms 。綜上分析，本文中制備的溫度傳感器件具有靈敏度良好、分辨率高、響應時間短等優點。

2.3 雙模態柔性傳感器的傳感機制

超級離子電容壓力傳感器件的工作機制是在施壓狀態下電極板電荷誘導發生雙電子層，如圖5（a）所示。以下用傳統模型闡述雙電子層（electricdoublelayer，EDL）效應，雙電子層電容可等效為亥姆霍茲層電容 C_H 與擴散層電容 C_p 相串聯的電路，故雙電子層壓容傳感器的電容 C_EDL 表達式為

式中： ψ（d，ε，ρ，φ，T） 為集亥姆霍茲層厚度 d 、電介質介電常數 ε 、離子類型及其質量濃度 ρ 、表面電位φ 以及溫度 T 的組合參數;A為接觸面積； η 為光滑面積光潔度。

從上述公式中可知，接觸面積和離子含量的增加可以使電容增大，兩者之間成正比關系。當傳感器處于無壓力狀態時，離子纖維兩端的電極板之間的距離較大，此時離子纖維中的電荷狀態處于非約束狀態。［EMIM］TFSI離子液體使得纖維間攜帶豐富的電荷，但是，當施壓狀態發生后，離子纖維體積減小，纖維之間的空隙減少，越來越多的離子纖維靠近兩端電極。兩端電極擁有大量電荷載流子與離子液體電解質中的大量離子電荷呈現強靜電作用，導致極性相反的離子被吸引到電極表面，而電荷性質相同的離子因互斥作用而遠離電極表面，使得壓力傳感器件具有高靈敏度的特性。

溫度傳感器件的傳感機制如圖5（b）所示。本文中制備的柔性溫度傳感器件的主要成分是TPU、PEDOT-PSS與氯化鋰。TPU提供了紡絲膜的基體材質，連通傳感器內部的三維骨架，從而有利于載流子的流通；PEDOT-PSS與氯化鋰是溫度感知材料，其中PEDOT-PSS具有獨特的核殼結構，導電但疏水的內核PEDOT被絕緣但親水的PSS所包圍，使得每個PEDOT-PSS核殼體之間電子遷移受阻。當溫度升高時，PSS周圍的水分子因熱運動而失去，即被釋放到外部環境。水分子的失去使得核殼結構收縮，相鄰的PEDOT內核間距減小，增強了電子在PEDOT內核之間的躍遷，因此，當溫度傳感層被加熱時，內核之間的電子躍遷數量大幅增加，整個溫度傳感層三維導電網絡的電阻減小，溫度傳感層表現出電阻隨著溫度升高而減小的現象

3 雙模態柔性傳感器的應用

本文中制備的雙模態柔性傳感器在生理信號監測中的應用結果如圖6所示。將雙模態柔性傳感器中心固定于手腕橈動脈處，使得觸覺壓力信號作用于超級離子電容傳感器，結果見圖6（a）。由圖可見：傳感器能夠精確捕獲脈搏信號波形，并且脈搏響應程度可達初始電容的100倍以上。由電容波形信號可以清晰地分辨出主波（P波）、潮波［又稱重搏前波（D波）和重搏波（T波）3種脈搏波形

將雙模態柔性傳感器一面固定于人體手腕處，一面貼近熱水杯或者冰棒，環境溫度使得皮膚溫度發生改變，進一步作用于溫度傳感器件上，結果見圖6（b）。由圖可見，傳感器能夠精確捕獲溫度變換信號，并且溫度變化的響應可以由電流變化實時反映，由電流信號可以清晰地分析高溫、低溫及其變化過程。檢測結果顯示，經過熱水杯的加熱，人體皮膚溫度快速上升，相似地，經過冰棒的冷卻，人體表皮溫度快速下降，表明該傳感器能夠實時監測體表溫度信號并顯示體溫

由于本文中使用2個獨立的信號采集電路來分別捕獲雙模態柔性傳感器的信號，因此串擾效應較小。

4結語

本文基于雙模態生理信息感知融合的策略，提出了一種基于雙模態柔性傳感器（壓力和溫度）集成的三維立體結構的可穿戴設備，研究了2個傳感器件結構與感知性能，展示了其在雙模態感知與可視化交互的醫療保健領域的應用。通過簡單的靜電紡絲工藝即可制備2種核心傳感層，即超級離子電容壓力傳感層和溫度傳感層，采用簡單的模板法制備微結構電極的方式可以實現雙模態柔性傳感器的制備。所制備的雙模態柔性傳感器具有優秀的感知性能，包括壓力傳感器件的高響應性、高靈敏度、響應與恢復時間短以及壓力與彎折耐久性好等，溫度傳感器件的寬檢測范圍、響應時間短以及體溫段的靈敏度類似線性等。利用高集成器件的優點，設計并實現了雙模態柔性傳感器在人體生理信號的監測（包括脈搏和體溫），為可穿戴設備在醫療保健領域的應用提供了參考。

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