浅谈柔性可穿戴传感器

浅谈柔浅谈柔性可穿戴传感器性可穿戴传感器 随着人们进一步深入信息时代 5G 通讯 大数据 云计算 万物互联的物联网 工业 4 0 等许多高新技术 新概念纷纷被提出 随着信息时代的应用需求越来越高 随之而来的是对 于各种信息的广泛需求 这就对被测量信息的范围 精度和稳定情况等各性能参数的期望值 和理想化要求逐步提高 针对特殊环境与特殊信号下气体 压力 湿度的测量需求 普通传 感器已经远远不能满足需求 新材料 新工艺和开发新型传感器与其它学科的交叉整合的传 感器层出不穷 随着柔性基质材料的发展 具有透明 柔韧 延展 可自由弯曲甚至折叠 便 于携带 可穿戴等特点的柔性传感器由于在医疗保健 健身运动 安全生产等领域的巨大潜 力受到越来越大的关注 可穿戴技术的新领域近年来发展迅速 已成为消费电子市场的重要竞争者 目前 全球 可穿戴市场价值约 300 亿美元 估计到 2023 年和 2026 年分别增长 100 亿美元和 150 亿美 元 大多数可用的可穿戴产品采用智能手表如 Apple Watch 和健身带的形式 可以为消费者 提供有关活动 身体动作和一些消费者使用生命体征的信息 尽管取得了这些成功 但可穿 戴设备在实际临床应用中的使用受到限制 主要是由于它们的准确性 有效性和可靠性有限 此外 现有设备的体积刚性和不灵活性质限制了使用的舒适性和持续时间 此外 传感器和 数据处理以及分析硬件的高功耗限制了长期可操作性 并迫使开发人员牺牲精度以延长电 池寿命 其他重要的限制包括用于传感器放置的有限位置 运动伪像以及处理 解释大量生 成的数据 柔性可穿戴传感器的材料 传统的传感器多是在刚性不可弯曲的衬底上制成的 其中具有硅衬底的传感器是最常 见的传感器 尽管这些传感器具有广泛的应用领域 但有一些难以避免缺点 如刚度 不敏 感 不可弯折等 而柔性可穿戴传感器则需要采用一些可弯折的柔性材料 得益于新材料 新工艺的发展 诸如可弯折的石墨烯 导电纱线或纤维纺织 有机高分子聚合物被纷纷采用 传感器的材料取决于传感器的应用 可用性 制造总成本等因素 有机电子材料是材料 方面的一个主要部门 已经大量被用于制造柔性可穿戴设备设备 用于柔性可穿戴设备的有 机器件具有灵活性 体积可变 良好的稳定性 生物适应性良好等优点 这些类型的传感器 已用于制造薄膜晶体管 离子泵 聚合物电极等 有机和大面积电子设备 OLAE 是使用功 能性油墨开发以薄层印刷的电子器件的方法 用于这些操作的基材是主要的 PET 和 PEN 因为它们与其它有机聚合物相比具有透明性和较低的成本 OLAE 流程目前用于开发可穿 戴的健康和医疗设备 PDMS PEN PI P VDF TrFE Parylene 和 Polypyrrole 的使用已经 普遍用于开发柔性传感器针对不同的应用 传感器的电极部分也采用新型的导电材料 如碳 基纳米材料和金属纳米颗粒 碳基纳米材料包括石墨烯 碳纳米管 CNTs 碳纤维等 在金属 纳米粒子中银 金和镍是柔性可穿戴传感器中最常用的一些金属纳米材料 聚二甲基硅氧烷 PDMS 聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET 聚萘二甲酸乙二醇酯 PEN 聚酰亚胺 PI 是通常 用于开发柔性传感器的一些绝缘基板 这些聚合物材料的差异在于它们的杨氏模量 折射率 等 有一些导电聚合物如聚 3 4 亚乙二氧基噻吩 聚苯乙烯磺酸盐 PEDOT PSS 聚乙炔 聚苯胺与绝缘聚合物相比 由于其较低的带隙而导电 这些聚合物主要用于开发太阳能电池 电池 在碳纳米管 CNT 中 使用单壁碳纳米管 SWCNT 和多壁碳纳米管 MWCNT 在不同 的传感器件也得到部分应用 制造柔性传感器的工艺有很多 其中光刻 丝网印刷 喷墨印 刷 激光切割是一些常见的方法 根据柔性传感器的的尺寸来确定制造传感器原型的工艺 感测指标类型 可穿戴柔性传感器主要应用于人体生理指标的检测 因此被广泛用于日常生活 它通过 检测人的一些生理活动指标如血压 胆固醇含量 PH 值等来为人的身体状况提供相应的参 考建议 主要的感应类型有电化学传感 压力和应变传感 磁场传感等 电化学传感是多年来最常见的柔性传感类型之一 灵活的传感器具有独特的化学和电 子特性 是进行不同类型生化传感的最佳选择 一些常见类型的电化学传感包括监测葡萄糖 pH 胆固醇等 葡萄糖和 pH 传感器是由 CNT 开发的 因为它们的曲率侧壁和疏水性质通 过 键合提供了强烈的相互作用 一些传感器使用了逐层结构 使其具有更坚固的结构 使 用两种聚合物 PDDA 和 PET 来显影基材 用作电极的 SWCNT 用 COOH 基团官能化以增 加电极的氧化性质 与葡萄糖感测一起 这些传感器对 pH 值在 5 到 9 之间的 pH 监测提供 了高灵敏度 其他类型的电化学传感代表胆固醇的监测 胆固醇是在动物的细胞膜中形成的 脂质 这些类型的传感器采用 SWCNT 和与溶胶凝胶结合的 MWCNT 制造 LBL 方法也被 用于这些传感器的结构化 以便以紧凑的方式集成组装不同的材料 因此 这些类型的传感 器已经开发出了诸如丝网印刷 旋涂等技术 其中单独的酶如胆固醇酯酶 胆固醇氧化酶被 固定在感应器上表面 压力和应变传感器是柔性传感器最标准化的应用之一 迄今为止 已经开发了不同种类 的压阻和压电传感器 以通过将它们用作绷带 手套等方式来监测各种生理参数 这些类型 的传感器在应变系数 GF 和它们可以承受的拉伸和压缩应变的百分比之间变化而不会达到 断裂点 一些压力传感器已被制造为电子绷带 这些压力传感器还用于触觉传感和人工智能 在实验室开发和测试的一些应变传感器提供了导电率的变化 直到 300 的应变 GF 为 50 这些传感器基于聚氨酯纳米复合材料 TPU 和纳米复合材料纳米复合材料 原纤化纤维素 NFC 作为填料 磁场传感器是使用具有聚合物箔的无机功能纳米膜开发的一类 形成 8 个传感器的线 性阵列 以霍尔效应原理工作 以实现高体积灵敏度 还开发了一种可穿戴电子鼻 80 其具 有由 CNT 和 PEN 的纳米复合材料制备的传感器阵列 在聚 甲基丙烯酸甲酯 PMMA 层 的顶部用旋涂和热固化的 PI 层制备水凝胶系统以及电生理传感器 用电子束蒸发的 Cr 和 Au 双层形成电极 这些制造的器件与其他生物医学设备一起应用于 ECG 应力 应变测量 有趣的是 甚至合金也被用于 WFS 开发生物传感器 使用诸如 Sb2Te3 和 Bi2Te3 的薄膜热 电偶以及 Kapton 衬底来制造低功率 柔性的微热电发电机 具体的实现举例 1 可穿戴的口服钠传感器 对于患有高血压和某些其他疾病的人来说 摄入过多的盐会增加血压并增加心脏并发 症的可能性 为了帮助监测盐摄入量 研究人员开发了一种灵活且可伸缩的无线传感系统 旨在舒适地佩戴在口腔中 以测量人体消耗的钠量 该传感器基于超薄透气弹性膜 集成了 小型化的柔性电子系统 该系统使用蓝牙技术将钠消耗量无线报告给智能手机或平板电脑 研究人员计划进一步将系统小型化 使之类似于牙科保持器 达到牙齿大小 开发口内传感器的关键是使用网状电路连接的生物相容性和超薄部件替换传统的塑料 和金属电子设备 钠传感器可以在市场上买到 但研究人员开发了一种灵活的微膜版本 可 与微型混合电路集成 整个传感和电子组件均匀地整合到用户可以容忍的柔软材料上 传感 器佩戴舒适 可将数据传输到智能手机或平板电脑 最终 这些信息可能会由医生或其他医 疗专业人员进行远程监控 灵活的设计始于计算机建模 以优化设备的机械性能 用于弯曲 和柔软的口腔 然后研究人员使用他们的模型设计实际的纳米膜电路并选择组件 该设备可以实时监测钠摄入量 并记录每日量 使用智能手机或平板电脑应用程序 系 统可以建议用户计划用餐他们已经消耗的每日盐分配量 该设备可与距离最远十米的智能 手机通信 同时的设备可以应用于许多不同的目标 涉及饮食管理或治疗的饮食行为 钠传 感器的后续步骤是进一步使设备小型化 并与具有医疗条件的用户一起测试 高血压 肥胖 或糖尿病 研究人员希望取消小电池 现在必须每天充电以保持传感器正常运行 一种可能 的选择是采用感应充电的方式给设备供电 可以采用从嘴外发射器获得电力的线圈代替电 池和复杂电路 2 可穿戴设备测心率 商业上可用的可穿戴设备 例如 Fitbit 和 Apple Watch 使用称为体积描记术的光学模式 来获得心率 在这种方法中 发光二极管 LED 与皮肤紧密接触 从而照亮动脉上的光 在 从组织吸收和散射光之后 通过光电二极管检测反射光 因为含氧血红蛋白具有最高的光吸 收 所以在心脏收缩期间观察到最小的反射光强度 考虑到测量的反射可以通过环境光 运 动和接触质量来调制 复杂的算法用于提取心率 虽然建立了用于测量重症监护病房和急诊 病房心率和血氧饱和度 SpO2 的光学方法 但对于使用可穿戴设备进行长期心率监测 它 会受到运动引起的准确性 接触质量和高度的挑战 能量消耗 降低 LED 探测器系统长期 使用功耗的最常用方法包括通过使用快速 LED 和在短时间内捕获数据的光电探测器来减少 系统的占空比 29 从而在两者之间进行权衡 功耗 精度和运动灵敏度 虽然目前的 LED 和光电探测器 HR 传感器刚性地封装在一起 但是有兴趣开发灵活的光学 HR 传感器 其可 以提供更好的皮肤接触和改进的设计形式 最近报道了一种由有机发光二极管 OLED 和有 机光电二极管 OPD 制成的柔性脉冲血氧计贴片 他们已经证明了这种柔性贴片的心率估 计与市售脉搏血氧仪具有相似的灵敏度 许多小组已经尝试过另一种用于心率可穿戴监测的方法是心电图 ECG 虽然心脏病 学的黄金标准是使用 12 导联心电图 但是一个心电图导联可以提供心率 并且可以用于检 测一些心脏病状况 例如心律失常 实施 ECG 监测的方法是在胸前设置两个电极 以获得导 联 I ECG 虽然常规电极通常是刚性 Ag AgCl 并且为了改善接触 应用凝胶 但是开发柔 性和干燥电极是有意义的 一种方式是将小电容电极与必要的信号处理和通信电路一起纳 入棉 T 恤 另一种可行的方式是采用一个带有 AgNW Ag 纳米线 PDMS 聚二甲基硅氧烷 干电极的胸部贴片 见图 a b 它可以监测导联 I ECG 和皮肤阻抗 另一种方法是以带的形 式设计电极 其可以附接到前臂以便提供一个导联 ECG 将两个电极并入一个柔性带 并与 其他必要的电路一起监测心电图 图 c d 用于可穿戴 HR 监测的 ECG 的主要缺点是这种 模式对运动伪影的高度敏感性 特别是因为对于可穿戴设备使用干电极的影响 3 柔性应变或压力传感器 近年来关注的另一种人力资源监测模式是柔性应变或压力传感器的应用 Soltanian 等 人 报道了一种柔软且贴合的应变传感器 它由包裹在弹性体中的导电纳米纤维 NF 网制 成 灵活的压阻式传感器 FPS 采用静电纺丝制造 一种经济的纳米材料制造的通用方法 展示了一种快速 低电压 精确 可重复的应变传感行为 其应变系数高达 60 使用该传感 器可以实现低至 W 的低功率传感器操作 应变敏感性归因于通过封装弹性体的弹性作用 保持在一起的 NF 间结的可逆脱离 连接 通过将应变传感器放置在桡动脉上 他们报告了准 确的脉搏率和清晰的脉搏波形 从中可以通过脉搏波速度 PWV 测量来计算均匀的血压估 计值 压力传感器也报告用于心率监测目的 另一种可生物降解的压力传感器是由一层柔性 电容器组成 层叠在两层柔性基板之间 在聚 甘油癸二酸酯 PGS 上制造一系列微金字塔 形状结构 其可通过外部压力弹性变形 通过将传感器放置在不同的动脉上 如桡动脉 股 动脉和颈动脉 它们显示了实时 HR 和脉搏波形监测的可行性 另一种可穿戴传感器贴片是 将 FPS 与 ECG 电极集成在一起 用于监测心率和估计血压 FPS 传感器由一层碳装饰织物 与 Au 交叉电极整合而成 两者均用聚萘二甲酸乙二醇酯 PEN 封装 该装置的压阻特性源 于在压制和释放循环期间碳颗粒与下面的电极之间的接触的变化 4 用于呼吸速率监测的可穿戴传感器 呼吸频率是最重要的生命体征之一 呼吸频率的变化是主要生理和病理不稳定的重要 指标 受试者呼吸频率的变化是心肺疾病的一个非常好的指征 如急性呼吸综合征 ARDS 慢性阻塞性肺病 COPD 肺水肿 肺栓塞 肺炎 心力衰竭和许多其他疾病 此外 已经确 定呼吸频率的变化可用于检测严重的临床状况 例如心脏骤停和进入重症监护病房的要求 另一方面 从不同身体位置测量呼吸功能和速率可具有重要的临床意义 例如 胸腹不同步 呼吸时肋骨和腹部不一致的运动 是呼吸窘迫的重要标志 有趣的是 尽管呼吸监测很重要 但它被认为是临床设置中最被忽视的生命体征 造成这一问题的主要原因之一是缺乏可用 于临床应用的连续和精确测量的可用系统 这意味着开发新型传感器的巨大机会 呼吸监测方法可分为非接触式和接触式 非接触式方法 如红外热成像 基于雷达的方法和 光学方法具有不需要与患者直接接触的优点 但是使用困难和不准确性 另一方面 基于接 触的方法可以通过使用可穿戴传感器提供更准确的结果 连续呼吸频率监测的既定方法之 一 特别是在麻醉后监护室 PACU 是将声学传感器放置在气道上 这些传感器提供准确 的数据但易于移动 声学传感器的一个重要优点是能够检测胸壁移动的气道阻塞 但没有气 流进入肺部 另一种方法是使用由新材料制成的应变或压力传感器 通过采用一种由石墨烯 注入的橡胶制成的导电复合材料 可使传感器具有高应变灵敏度 应变计高达 35 并且在 超过 800 的应变下工作 图 a b 通过将一片密封的橡胶复合材料附着在受试者的喉咙上 他们准确地报告了呼吸频率 图 c 展示了基于石墨烯织物的应变传感器 图 d e 用于呼吸 速率监测 图 f 基于纺织品的传感是另一种重要的方法 它为呼吸监测提供了更加一致和用户友好的 方法 这些类型的传感器主要基于导电纱线或纤维的应用 其通过不同方法集成到纺织品中 Atalay 等 使用针织银涂层尼龙纱制作呼吸带 可以在胸部或腹部佩戴 以监测呼吸频率 赵等人 还报道了通过编织 Cu 涂覆的聚对苯二甲酸乙二醇酯 Cu PET 经纱和聚酰亚胺 PI 涂覆的 Cu PET PI Cu PET 纬纱制成的制造的智能纺织品 他们还制作了胸带 不仅可以监 测呼吸频率 还可以检测呼吸模式的变化 报道了基于双轴延伸下的环结构的完全集成的导 电针织物的综合模型和实验结果 完全集成的应变传感器被编织成 T 恤 并且已经试图表明 它可以检测呼吸速率和模式的变化 例如与正常呼吸相比的深呼吸 另一方面 我们还在肺 活量计呼吸类型中进行了测试 其中包括深度吸气 然后是快速呼气 其中胸壁的放气模式 具有临床意义 特别是在快速呼气的早期阶段 总结与展望 用于临床应用的可穿戴健康监测是一个迅速兴起的领域 可以提高医疗质量和可及性 新材料在解决诸如高功耗 精度不足 可靠性和可重复性有限等技术问题方面可发挥重要作 用 此外 随着技术向智能纺织品发展 这也可以改善传感器的一致性问题 因此可以无缝 地用于日常生活活动中 同时提供关键信息 尽管柔性可穿戴传感器已经做了很多工作 但 仍有一些问题需