可穿戴電容壓力傳感器用于人體生理信號(hào)采集

近年來(lái)，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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)程和結(jié)構(gòu)。（a）展示CNS基壓力傳感器的制備過(guò)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(shuō)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(guò)依次加載和卸載約38 mg的長(zhǎng)粒米來(lái)說(shuō)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(kāi)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(guò)可逆地打開(kāi)和閉合拳頭來(lái)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。