基于墨水直写技术的柔性应变传感器，用于穿戴式和植入式健康监测
2023-12-30 21:21:41 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这种纤维状柔性电容式应变传感器与便携式数据采集电路板相结合，可用于在穿戴式无线传感系统中采集生理信号和人机交互。
柔性纤维状应变传感器凭借其与日常服装的兼容性，在穿戴式健康监测和人机交互方面显示出巨大的潜力。然而，用于制造纤维状应变传感器的传统制造方法（包括顺序涂层和溶液挤出）获得的导电敏感材料的可拉伸性有限，导致有限的拉伸范围和潜在的界面分层。
据麦姆斯咨询报道，近日，天津大学栗大超教授研究团队采用墨水直写（DIW）技术制造了一种纤维状柔性电容式应变传感器（FSFCSS）。通过这项技术，研究人员在热塑性聚氨酯（TPU）管纤维表面印刷平行的螺旋银（Ag）电极，并用高介电材料BaTiO₃@Ecoflex（BTO@Ecoflex）封装，赋予了FSFCSS优异的双模传感性能。FSFCSS可以感知双模应变，即轴向拉伸应变和径向膨胀应变。FSFCSS与便携式数据采集电路板相结合，可用于在穿戴式无线传感系统中采集生理信号和人机交互。此外，研究人员还展示了一种概念性的植入式无线血液动力学传感器。相关研究成果以“A dual-mode fiber-shaped flexible capacitive strain sensor fabricated by direct ink writing technology for wearable and implantable health monitoring applications”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
FSFCSS具有三层结构，即弹性TPU纤维、平行螺旋Ag电极和BTO@Ecoflex封装层。制备过程如下：首先通过等离子体和表面活性剂对TPU纤维进行处理以获得亲水表面，使用固定在同步电机上的JTO夹具来固定TPU纤维并为其提供旋转运动，气动喷嘴以线性运动将Ag油墨印刷到TPU纤维的表面，喷嘴的油墨挤出速度由气动阀独立控制。通过DIW打印技术制备的FSFCSS表现出优异的拉伸和导电性能。除了纤维结构和定制其结构参数的能力外，SFSCSS还适合用作穿戴式和植入式应用的电容式应变传感器。
FSFCSS的制备与表征
FSFCSS作为一种电容式传感器，可以有两种工作模式，即轴向拉伸应变传感模式和径向膨胀应变传感模式。对于轴向拉伸应变传感模式，FSFCSS表现出优异的性能，包括宽检测范围（178%）、优异的灵敏度（0.924）、低检测限（0.6%）、快速响应和恢复时间（117和156 ms）、低迟滞系数（1.44%）和优异的机械稳定性。对于径向膨胀应变传感模式，FSFCSS表现出对动态和脉冲压力变化的良好响应，具有0.00086 mmHg⁻¹的高灵敏度。
FSFCSS的工作机制
为了评估FSFCSS的实际性能，研究人员使用3M医用胶带将FSFCSS固定在人体各部位的皮肤表面，包括腹部、胸部、手腕、喉咙、膝盖和手指。下图为FSFCSS应用于人体不同部位的电容响应曲线，表明FSFCSS可以清晰地捕捉声音、呼吸、心率、脉搏等生理信号。由于FSFCSS的超高灵敏度，记录的电容响应曲线包含了丰富的生理信息。在大数据时代，利用FSFCSS对人体生理健康信号进行持续实时采集和分析，有助于呼吸系统和心血管疾病的预防和诊断，以及语音交互应用的发展。
FSFCSS在穿戴式健康监测中的应用
此外，研究人员通过将FSFCSS与印刷单螺旋射频（RF）线圈连接，开发了一种无线血液动力学传感器，并证明了该传感器用于植入式血液动力学监测的可行性。
FSFCSS在血液动力学监测中的应用
总而言之，研究人员使用高精度DIW打印装置成功地在TPU纤维衬底上制造了双模FSFCSS。全面分析了传感器在轴向拉伸应变传感和径向膨胀应变传感模式下的工作机理。研究人员从监测人体生理信号、实时采集人体姿势信息、人机交互应用等几个角度探讨了FSFCSS在穿戴式健康监测领域的应用。为了测量血压和心率，FSFCSS与印刷RF线圈串联，以制造无线血液动力学传感器。这项工作不仅介绍了一种制造纤维状电容式应变传感器的新方法，而且有助于穿戴式和植入式健康监测的研究和发展。
论文信息：https://www.nature.com/articles/s41378-023-00634-9
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