CN113786181B - 一种自驱动超灵敏脉搏传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自驱动超灵敏脉搏传感器的制备方法。所述自驱动超灵敏脉搏传感器包括第一摩擦层、第二摩擦层、上电极、下电极、绝缘层、间隔层、静电屏蔽层，以及由聚合物材料制成的密封结构，所述第一摩擦层背面与上电极材料粘附，所述第二间隔层背面与下电极材料粘附，且第一摩擦层与第二摩擦层之间放置间隔层生成空气间隔，所述上、下电极背面粘附绝缘层材料后，采用静电屏蔽层将整个器件包覆，最后采用柔性聚合物材料将整个器件封装；本发明利用摩擦静电感应效应，皮肤表面动脉搏动会引起摩擦层的接触分离运动并产生电信号输出，脉搏传感器输出波形即为人体脉搏信号。

Description

一种自驱动超灵敏脉搏传感器的制备方法

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种自驱动超灵敏脉搏传感器，所述脉搏传感器适用于临床检查、生理研究等医疗领域。

背景技术

心血管疾病是严重威胁人类健康的一类疾病，实现对人体心血管状况持续性监测将为相关疾病的预防与辅助治疗提供重要的依据。人体脉搏信号包含丰富的生理信息，通过脉搏信号的准确探测实现人体心血管指标的获取将为人体健康监测提供一条有效策略。传统心血管监测依赖专业医疗设备，其运行成本高、便携性差、普适性低，这极大限制了心血管状况的持续监测，而脉搏传感器附着于皮肤表面可完美与人体集成，这为人体心血管状况的移动分布式获取提供了有效策略。

脉搏传感器按工作过程中有无外部能源供给可分为有源脉搏传感器与无源脉搏传感器，有源脉搏传感器如光电传感器、超声波传感器、力学传感器等在对人体心血管进行监测时需要外部电源供电，这不仅限制了脉搏信号的持续监测，而且大体积也为脉搏信号便捷获取造成障碍。而摩擦电型脉搏传感器兼具自驱动、柔性、低成本与构筑工艺简单等诸多优势，将为人体心血管监测提供一种有效途径。

现有技术存在的主要问题为：目前脉搏传感器探测脉搏信号时需要外部能源供给，且脉搏传感器灵敏度低，抗干扰性差，这极大限制了人体脉搏信号的高质量获取。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种自驱动超灵敏脉搏传感器及其制备方法，该脉搏传感器基于摩擦静电感应效应，可有效将人体的动脉搏动转化为电信号输出，从而实现人体脉搏信号的自驱动与准确监测。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种自驱动超灵敏脉搏传感器的制备方法，其特征在于，所述自驱动超灵敏脉搏传感器包括第一摩擦层、第二摩擦层、上电极、下电极、绝缘层、间隔层、静电屏蔽层，以及由聚合物材料制备的封装结构，所述第一摩擦层背面与上电极材料粘附，所述第二间隔层背面与下电极材料粘附，且第一摩擦层与第二摩擦层之间放置间隔层生成空气间隔，所述上、下电极背面粘附绝缘层材料后，采用静电屏蔽层将整个器件包覆，最后采用柔性聚合物材料将整个器件封装。

进一步地，所述第一摩擦层由对电子束缚能力较强的柔性聚合物材料制成，所述柔性聚合物材料为氟化乙烯丙烯共聚物、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚偏二氯乙烯等。

进一步地，所述第二摩擦层由对电子束缚能力较弱的柔性材料制成，所述柔性材料为乙基纤维素、聚酰胺、蚕丝蛋白等。

进一步地，所述摩擦层材料表面构筑了微结构。所述微结构通过等离子体刻蚀法和静电纺丝法在摩擦层表面构筑，所述微结构由柱状结构、纳米线阵列、纤维结构、纳米颗粒中的至少一者组成。

进一步地，所述上电极与下电极由兼具柔性与导电性的材料制成，所述兼具柔性和导电性的材料包括导电高分子材料、银纳米线膜、导电碳纤维和金属薄膜。

进一步地，所述绝缘层材料包括聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺的任一种或两种以上材料。

进一步地，所述间隔层材料为多孔结构的三聚氰胺海绵。

进一步地，所述静电屏蔽层材料为金属薄膜，如铝箔，铜箔等。

进一步地，所述封装材料为具备良好生物相容性的聚二甲基硅氧烷。

进一步地，所述自驱动超灵敏脉搏传感器工作原理基于摩擦静电感应效应，工作模式为接触分离模式。

本发明的技术要点包括：采用静电纺丝工艺制备了第一摩擦层材料，在其表面构筑了纤维状结构，采用等离子体刻蚀工艺对第二摩擦层材料进行刻蚀处理，在聚合物表面构筑了柱状结构、纳米线等微结构，摩擦层材料表面构筑微结构的构筑，不仅有效增强脉搏传感器的电信号输出，而且还可以大幅度提升传感器的灵敏度；选择多孔结构的聚合物用作间隔层材料，可进一步优化摩擦材料的接触起电过程，提升脉搏传感器对微弱信号的探测能力；选择金属薄膜如铝箔、铜箔为屏蔽层材料，可有效屏蔽人体皮肤表面的静电荷干扰，提升器件的信噪比；采用聚二甲基硅氧烷将整个器件封装，在提升脉搏传感器与人体的生物相容性的同时，可有效降低人体汗液等对器件的干扰。

本发明的有益效果如下：

1.利用摩擦静电感应效应，皮肤表面动脉搏动会引起摩擦层的接触分离运动并产生电信号输出，脉搏传感器输出波形即为人体脉搏信号

2.具有自驱动、灵敏度高、抗干扰性强、响应迅速等优点；

3.采用全柔性无毒聚合物薄膜材料，具有良好的人体相容性与可穿戴性，，实现了人体脉搏信号的高质量探测。

附图说明

图1为本发明自驱动超灵敏脉搏传感器结构示意图，该器件结构包括：第一摩擦层、第二摩擦层、静电屏蔽层、间隔层、绝缘层、电极与封装层材料；

图2为摩擦材料表面微结构示意图，图2a为等离子体刻蚀处理后氟化乙烯丙烯共聚物表面的扫描电镜图片，图2b为聚酰胺静电纺丝纤维薄膜的扫描电镜图片；

图3为本发明自驱动超灵敏脉搏传感器工作原理示意图；

图4为本发明自驱动超灵敏脉搏传感器探测的桡动脉脉搏信号。

具体实施方案

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

氟化乙烯丙烯共聚物薄膜表面微结构构筑过程如下：

(1)氟化乙烯丙烯共聚物薄膜依次经由去离子水、丙酮、无水乙醇超声清洗后，置于干燥箱中干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为1h，得到表面洁净的薄膜材料。

(2)采用等离子体刻蚀工艺对清洗后氟化乙烯丙烯共聚物薄膜进行刻蚀。选择刻蚀气体为氧气，气体流量为12-18sccm，刻蚀功率为50-80W，刻蚀时间为600-1200s，之后得到表面微结构化的薄膜材料。刻蚀处理后的氟化乙烯丙烯共聚物薄膜电负性较强，容易吸附空气中的灰尘杂质引发材料污染，需要将刻蚀后的氟化乙烯丙烯共聚物薄膜密封保存。

聚酰胺静电纺丝为薄膜制备过程如下：

(1)聚酰胺为溶剂，甲酸为溶剂，制备均匀分散的聚酰胺溶液，其中聚酰胺的质量分数为15％-20％。前驱体在磁力搅拌器上搅拌溶解，设置转速为500-1000rpm，加热温度为40-80℃，搅拌时间为5-10小时，搅拌溶解后，将透明胶体静置2h除去胶体内部的气泡，最后得到均匀分散的聚酰胺电纺溶液。

(2)将均匀分散的聚酰胺胶体通过静电纺丝工艺制备薄膜材料。静电纺丝过程中控制环境温度为20-30℃，环境湿度为15-35％RH。其中工艺参数设置为：电压25-30KV，胶体流量为0.1-0.5ml/h，喷丝头与接收板之间的距离为10-15cm，纺丝时间可根据实际需求进行调整。静电纺丝结束后，将通过静电纺丝得到的聚酰胺放置于真空干燥箱中真空干燥1h，得到全纤维聚酰胺纤维薄膜。

自驱动超灵敏脉搏传感器的构筑过程如下：

如图1所示，在本实施例中，所述自驱动超灵敏脉搏传感器包括第一摩擦层、第二摩擦层、上电极、下电极、绝缘层、间隔层、静电屏蔽层与封装层材料。所述第一摩擦层背面与上电极材料粘附，所述第二间隔层背面与下电极材料粘附，且第一摩擦层与第二摩擦层之间放置间隔层生成空气间隔，所述上、下电极背面粘附绝缘层材料后，采用静电屏蔽层将整个器件包覆，最后采用柔性聚合物材料将整个器件封装。

所述第一摩擦层为等离子体刻蚀工艺处理的氟化乙烯丙烯共聚物薄膜，其表面形貌如图2a所示，其表面呈纳米线结构，氟化乙烯丙烯共聚物薄膜表面微结构构筑过程如下：

(1)氟化乙烯丙烯共聚物薄膜依次经由去离子水、丙酮、无水乙醇超声清洗后，置于干燥箱中干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为1h，得到表面洁净的薄膜材料。

(2)采用等离子体刻蚀工艺对清洗后氟化乙烯丙烯共聚物薄膜进行刻蚀。选择刻蚀气体为15.0sccm O₂，刻蚀功率为60W，刻蚀时间为720s，之后得到表面微结构化的薄膜材料。

所述第二摩擦层为聚酰胺静电纺丝纤维薄膜，其表面形貌如图2b所示，表面呈纤维状结构，聚酰胺静电纺丝为薄膜制备过程如下：

(1)称量1.5g聚酰胺粉末于试剂瓶中，添加8.5g甲酸用作分散剂，在磁力搅拌器上搅拌，促进聚酰胺粉末分散，转速设置为600rpm，加热温度60℃，搅拌时间为6h，搅拌结束后，将透明胶体静置2h除去胶体内部的气泡，最后得到均匀分散的聚酰胺胶体。

(2)将均匀分散的聚酰胺胶体通过静电纺丝工艺制备薄膜材料。静电纺丝过程中控制环境温度为25℃，环境湿度为25％RH。其具体工艺参数为：电压30KV，胶体流量为0.3ml/h，喷丝头与接收板之间的距离为12cm，纺丝时间为2h。静电纺丝结束后，将通过静电纺丝得到的聚酰胺纤维膜放置于真空干燥箱中真空干燥1h。

所述微纳结构不仅有效提升微弱信号的探测能力，而且还可以显著提升摩擦表面的有效接触面积，进而提升监测信号强度。

所述电极材料为铜箔，附着于摩擦层背面为器件的工作电极。

所述绝缘层材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，放置于工作电极与屏蔽层之间。

所述间隔层材料为三聚氰胺海绵泡沫，三维多孔结构可有效响应外界微弱刺激，优化摩擦层接触分离过程，提升器件对微弱信号的探测能力。

所述静电屏蔽层材料为铝箔，静电屏蔽层接地可有效避免穿戴过程中静电荷对器件干扰，提升监测信号的信噪比。

所述封装材料为聚二甲基硅氧烷薄膜，该聚合物材料具有优良的生物相容性，有效提升可穿戴舒适性，所述全封装结构有效避免了穿戴过程中人体汗液对器件性能的影响。

图3为自驱动脉搏传感器工作原理示意图，动脉博搏动会引起人体皮肤表面动态压力变化，而皮肤表面动态压力变化会引发脉搏传感器摩擦层持续的接触分离运动，基于接触起电与静电感应的耦合效应，脉搏传感器产生持续的电信号输出，电信号输出波形即为人体脉搏信号。图4为该脉搏传感器探测到的人体桡动脉脉搏信号，获取的脉搏波信号清晰，特征点准确分辨。

Claims (5)

1.一种自驱动超灵敏脉搏传感器的制备方法，其特征在于，所述自驱动超灵敏脉搏传感器包括第一摩擦层、第二摩擦层、上电极、下电极、绝缘层、间隔层、静电屏蔽层，以及由聚合物材料制备的封装结构，所述第一摩擦层背面与上电极材料粘附，所述第二摩擦层背面与下电极材料粘附，且第一摩擦层与第二摩擦层之间放置间隔层生成空气间隔，所述上、下电极背面粘附绝缘层材料后，采用静电屏蔽层将整个器件包覆，最后采用柔性聚合物材料将整个器件封装；

所述第一摩擦层为等离子体刻蚀工艺处理的氟化乙烯丙烯共聚物薄膜，其表面呈柱状结构；

所述第二摩擦层为聚酰胺静电纺丝纤维薄膜，其表面呈纤维状结构；

所述静电屏蔽层材料为金属薄膜；

所述用于封装的柔性聚合物材料为具备良好生物相容性的聚二甲基硅氧烷。

2.根据权利要求1所述脉搏传感器的制备方法，其特征在于，所述上电极与下电极由兼具柔性与导电性的材料制成，所述兼具柔性和导电性的材料包括导电高分子材料、银纳米线膜、导电碳纤维和金属薄膜。

3.根据权利要求1所述脉搏传感器的制备方法，其特征在于，所述绝缘层材料包括聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺的任一种或两种以上材料。

4.根据权利要求1所述脉搏传感器的制备方法，其特征在于，所述间隔层材料为多孔结构的三聚氰胺海绵。

5.根据权利要求1所述脉搏传感器的制备方法，其特征在于，所述自驱动超灵敏脉搏传感器工作原理基于摩擦静电感应效应，工作模式为接触分离模式。