基于惠斯通全桥的3D柔性压力传感器，可用于心血管监测
2024-02-06 22:00:59 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究提出的3D微结构压力传感器在压力检测的敏感性和对温度变化的抗干扰性方面均展现出显著优势，其关键之处在于采用了惠斯通全桥电路设计，有效避免了因温度变化而导致的传感器校准问题。
心血管疾病是全球主要的致死原因之一，建立一种有效且持续的监测系统对于这类疾病的主动预防和管理至关重要。柔性可穿戴传感器广泛用于日常健康监测，然而，环境参数的变化可能会对贴身佩戴的柔性传感器产生噪声干扰，例如许多压阻式压力传感器对温度变化极为敏感，因此，需要采取主动补偿机制以避免测量误差。
据麦姆斯咨询报道，针对上述难题，韩国庆熙大学（Kyung Hee University）、美国西北大学（Northwestern University）等机构的研究团队采用多层3D微系统设计，在惠斯通全桥电路中集成了四个压阻式压力传感器，实现了对环境温度变化的自动补偿。通过对传感器机械布局的优化，不仅使其对温度不敏感，同时还提高了其对压力的敏感性。相关研究成果以“Soft, full Wheatstone bridge 3D pressure sensors for cardiovascular monitoring”为题发表在npj Flexible Electronics期刊上。
与以往报道的使用类似传感原理的器件相比，这项研究提出的3D微结构压力传感器在压力检测的敏感性和对温度变化的抗干扰性方面均展现出显著优势，其关键之处在于采用了惠斯通全桥电路设计，有效避免了因温度变化而导致的传感器校准问题。此外，这种设计还提高了传感器用于测量与心血管疾病相关的压力变化时的灵敏度。
图1展示了通过光刻技术加工的多层金属-聚酰亚胺（PI）堆叠的分解图。利用机械引导装配技术，将这一布局的微加工2D多层堆叠结构转换为3D多应变片集成智能传感器（3MIS）。这种布局定义了一种惠斯通全桥电路，用于将与应变传感器相关的电阻变化转换为电压变化。
图1 惠斯通全桥电路中作为应变片的多层金属-PI 3D微结构
研究人员通过对比惠斯通全桥（FB）和四分之一桥（QB）结构的传感器在压力和温度响应方面的表现，验证了FB结构在3MIS传感器中的显著优势。与QB结构相比，FB结构中的四个微加工压阻传感器在温度变化时表现出一致的电阻响应，有效消除了25 ~ 40°C范围内的温度变化影响。在压力响应方面，FB结构的传感器灵敏度（斜率为0.0031）是QB结构（斜率为0.009）的3倍。此外，通过剪切应力下的响应测试，进一步验证了FB结构的有效性。
图2 采用惠斯通FB和QB结构的3MIS压力传感器的温度响应和压力灵敏度
图3 3MIS压力传感器的机械完整性测试
通过将这种3D微结构压力传感器集成在柔性且灵活的电子平台中，并利用低功耗蓝牙（BLE）技术进行无线通信，即可形成一个能够实时、无线监测皮肤表面压力的系统。该系统在测量皮肤表面压力时表现出线性响应，无任何迟滞，同时优化了测试性能。基于柔性聚合物封装和刚性框架结构，该系统确保了与皮肤舒适且稳定的接触，只对正向压力敏感。将其放置在桡动脉和颈动脉上方，可以获取与脉动血流相关的高质量波形数据，进而实现与血压的定量匹配。这项技术在材料和工程学方面的突破，展示了其在远程健康监测领域的广阔应用前景。
图4 利用3MIS压力传感器对连接至心脏模拟器的模拟皮肤和动脉表面进行测量
图5 基于3MIS的无线压力传感系统在桡动脉和颈动脉皮肤上的测试评估
图6 安装在桡动脉皮肤上的3MIS无线压力传感器与安装在健康志愿者手指上的参考设备的测试评估
综上所述，这项研究提出的3D微结构压力传感器，通过使用惠斯通全桥电路并优化传感器的机械布局，成功实现了对环境温度变化的自动补偿，为该领域的研究做出了积极的贡献。该压力传感器系统能够提供与标准参考设备一致的心血管信息，例如平均动脉压（MAP）和心率（HR），证实了其在支持心血管疾病早期诊断和个性化治疗方面的有效性，展现了在医疗保健应用中的巨大潜力。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41528-024-00294-3
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