使用手指式柔性压力传感器系统从脉搏波中直接提取呼吸信息

快速阅读: 据《Nature.com》称，研发了一种柔性压阻传感器用于稳定监测腕部脉搏信号。通过对传感器性能测试与结构分析，发现其具有优异的柔韧性和长期稳定性，适用于长时间生理信号监测。实验显示新旧传感器性能差异较小，主要由制造过程引起，标准化设备和技术可改善此问题。

为了确保腕部脉搏信号的稳定和连续监测，研发了一种柔性压阻传感器。图2a展示了该传感器的制备方法：首先通过等离子处理热塑性聚氨酯（TPU）薄膜表面，以去除污染物并增强后续打印材料的黏附力；接着采用相同的丝网印刷工艺，在TPU薄膜上依次沉积银电极层和TPU间隔层，完成传感器的初步制作。随后，利用同样的丝网印刷技术，将一种敏感材料（类似于我们之前的研究成果）打印到另一块经过等离子处理的TPU薄膜上（图S3b）。之后，再次用丝网印刷工艺，在TPU薄膜上沉积银电极层和TPU间隔层形成传感器。最后，整个组件被完全封装在一个经过等离子处理的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜中，并在其顶部加装了一层通过激光蚀刻和进一步等离子处理的指纹状PDMS层（图S4和S5）。如图2b所示，呈现了最终结构的截面和平面显微图像。

对传感器灵敏度和线性的评估显示，在环宽200微米且间距150微米的情况下，传感器表现出最佳性能。不同环形间距（图S8）和宽度（图S9）配置下的响应和松弛时间比较分析表明差异可以忽略不计。该传感器展现出卓越的柔韧性，能够有效应对拉伸、弯曲、扭曲和拱起等机械应力，如图2e和图S10所示。这种特性使其能够紧密贴合于手腕桡骨突起处，保证与皮肤直接接触，从而提高信号检测的稳定性和准确性。此外，还检查了叉指电极层和敏感层的微观结构完整性（图2c、d），结果显示与一个月前制备的样品相比未见实质性改变（图S11）。通过能量色散X射线光谱仪（EDS）分析了敏感层和叉指电极层的元素组成（C、N、O，电极层中添加了Ag，图S12和S13），结果确认与一个月前分析的样品相比，成分没有显著变化，元素比例保持一致（图S14和S15）。

我们还对比分析了新制备的传感器和一个月前制备的对照传感器的灵敏度、线性度、响应时间和松弛时间。结果显示，新制备的传感器表现出更高的灵敏度和线性度，这可能是由于其敏感层中碳含量的增加（图3d和图S16、S18）。此外，我们对两种传感器在十次试验中的响应和松弛时间进行了评估，数据显示，一个月前制备的传感器具有更优的响应和松弛时间，这可能是因为其电极层中银含量较高（图S17和S19）。这些观察到的性能差异很可能源于传感器制造过程中的变化，实施标准化设备和更精密的制造技术可能会缩小这些差异。尽管存在这些差异，但两个传感器之间的总体性能差异很小，不会对常规功能产生不利影响。我们的研究结果表明，敏感层和叉指电极层均具备长期稳定性，这对于长时间可靠地监测人类生理信号至关重要。

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