廖璐璐， 高鯤鵬， 楊漢嘉， 王曉林， 劉景全

(上海交通大學(xué) 微納電子學(xué)系 微米/納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引 言

可穿戴傳感器在遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)、康復(fù)訓(xùn)練、疾病診斷和人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等方面具有良好的應(yīng)用前景。其傳感的工作機(jī)理可分為五類:摩擦電[1,2]、電容式[3,4]、壓電式[2,5,6]、光學(xué)式、壓阻式[7～9]。文獻(xiàn)[5]報(bào)道了一種壓電式傳感器，該傳感器以聚乙烯(乙烯基氟乙烯—三氟乙烯)的電紡絲束作為壓電傳感層，以超薄彈性體作為襯底，可以檢測(cè)到的最小1 μm的形變,能用于檢測(cè)脈搏波。陳某等人[3]開發(fā)了多孔聚二甲基硅氧烷(poly dimethyl siloxane,PDMS)電容式傳感器，將PDMS與NH4HCO3混合，使PDMS彈性體中具有高密度的氣泡。該傳感器在低壓力范圍內(nèi)具有快速響應(yīng)能力和高靈敏度(0.01 kPa-1)。而文獻(xiàn)[4]將離子凝膠設(shè)計(jì)具有微金字塔結(jié)構(gòu)的薄膜作為傳感層，進(jìn)行了超薄高靈敏電容式傳感器的研究(41.64 kPa-1)。

文獻(xiàn)[3～5]提到的納米纖維墊、多孔PDMS薄膜和微金字塔結(jié)構(gòu)凝膠薄膜具有共同的特點(diǎn)是：具有孔隙結(jié)構(gòu)，它們的基本工作原理均由外界應(yīng)力引起空隙的變化，從而導(dǎo)致電氣性能的改變。

近年來，將紡織物用于傳感材料制作引起了人們的廣泛關(guān)注，許多研究者對(duì)紡織品的機(jī)電性能進(jìn)行了研究分析[10]。導(dǎo)電化后，由于紗線的伸縮、接觸等原因，導(dǎo)電纖維在外力作用下的電阻會(huì)發(fā)生變化。紗線間大量的孔隙有助于提高導(dǎo)電織物的靈敏度。其工作機(jī)理與上述多孔結(jié)構(gòu)相似。研究表明，碳化絲綢基底傳感器[8]和碳化棉布基底傳感器，兩者均具有高靈敏度和大應(yīng)變范圍。然而，碳化的過程比較復(fù)雜，同時(shí)纖維會(huì)變性脆化。

本文受上述結(jié)果的啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)紙張是一種理想的材料，它原本就充滿了空隙，并且成本低廉。由于無塵紙優(yōu)越的吸液性能和抗拉強(qiáng)度，最終選擇以其作為基底，用石墨烯—碳納米管導(dǎo)電涂料和PDMS (Dow Corning MG-9850 soft adhesive kit)的混合物作為功能材料，將其涂抹在無塵紙上使其導(dǎo)電化并且具有粘性用于電氣連接。紙基傳感層具有強(qiáng)粘度和導(dǎo)電性，可直接與電極層相連，解決紡織物、紙質(zhì)傳感器連接不便的問題。該傳感層能夠穩(wěn)定地連接到PI電極層上，并且可以很容易地從PI上剝離下來而不會(huì)改變其粘度。PI電極層便可以重復(fù)使用。同時(shí)該傳感器具有靈敏度高(3.29 kPa-1)，響應(yīng)速度快(141 ms)，工作壓力范圍寬(0～45 kPa)，耐久性好，工藝簡(jiǎn)便，成本低的優(yōu)點(diǎn)。

1 傳感器材料與制作

1.1 材料與原理

無塵紙(蘇州邁思源凈化制品有限公司)由55 %的纖維素和45 %的聚酯纖維組成，因而它們具有優(yōu)異的吸液性能和高抗拉強(qiáng)度。由于無塵性和不易起毛的特點(diǎn)，適合在凈化實(shí)驗(yàn)室使用。經(jīng)過導(dǎo)電涂料處理的無塵紙微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。該導(dǎo)電無塵紙樣品被激光切成1 mm×2 mm,掃描電鏡(scanning electron microscopey,SEM)圖像顯示，樣品由定向纖維構(gòu)成，纖維間有大量間隙。

圖1 導(dǎo)電化無塵紙電鏡圖

粘性PDMS與普通的PDMS不同，其以質(zhì)量比為1∶1與固化劑進(jìn)行混合。把它們涂抹在無塵紙單面，并放置在85 ℃的烘箱里12 h，它將變成單面具有粘性的無塵紙?？蓪⑵湔迟N在皮膚、衣物表面，很容易剝離，且?guī)缀醪挥绊懻扯?。如果多次使用后粘度降低，用乙醇擦拭粘性表面，可以在一定程度上恢?fù)粘度。粘性PDMS有兩個(gè)用途:1)與導(dǎo)電涂料混合用于電氣連接；2)提供普通無塵紙粘性用于與衣物或者測(cè)試者皮膚粘貼。

傳感器的工作原理是，當(dāng)外界壓力作用于紙的表面時(shí)，纖維的間隙和密度發(fā)生變化，導(dǎo)致沿纖維的電子遷移率變化，從而引起電阻的變化。

1.2 傳感器制作

單個(gè)傳感器的制造過程如圖2(a)所示。粘性的PDMS和固化劑按照質(zhì)量比1∶1混合,然后將與PDMS等質(zhì)量的石墨烯—碳納米管導(dǎo)電涂料(蘇州碳豐石墨烯科技有限公司)倒入燒杯中，將混合物攪拌30 min后，用滴管吸取混合物滴到無塵紙表面使其均勻滲透。在烤箱中以85 ℃的溫度烘12 h后取出，沿著纖維的方向?qū)o塵紙切成條狀。最后，將薄膜銅片壓在無塵紙傳感層兩端作為電極引出。

陣列傳感器的制作過程如圖2(b)、圖2(c)所示，用AutoCAD軟件設(shè)計(jì)圖案，再用激光切割機(jī)將無塵紙切割成形，每個(gè)傳感塊之間留有空隙并且由寬度為1.5 mm的纖維連接在一起。最后用滴管將導(dǎo)電涂料涂在無塵紙表面，由于存在空隙的隔離，導(dǎo)電涂料可以在一定程度上避免毛細(xì)管效應(yīng)從而限制在傳感區(qū)域。電極層和傳感層陣列的裝配如圖2(c)所示。電極層采用MEMS工藝制作，以PI作為襯底。將兩個(gè)Au電極點(diǎn)之間的PI襯底挖空，使傳感部分可以更好地形變。延長(zhǎng)部分和補(bǔ)強(qiáng)板的設(shè)計(jì)是為了方便傳感器連接到信號(hào)采集電路板。將傳感層兩端分別對(duì)準(zhǔn)電極點(diǎn)，通過傳感層自身的粘度和導(dǎo)電性將傳感層與電極層連接起來。

信號(hào)采集電路由分壓電阻和信號(hào)采集裝置(NI USB—6218)組成。NI USB—6218將電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化,并實(shí)時(shí)記錄和顯示在Signal Express軟件上。

圖2 傳感器的制作過程

由于無塵紙的易加工特點(diǎn)，使得該傳感層可以設(shè)計(jì)成各種形狀:星星、心形,甚至是可愛的小動(dòng)物。尺寸上可以設(shè)計(jì)為1 mm×2 mm,或更小(圖3)?？蓯鄣耐獗砗统叽缈烧{(diào)的特點(diǎn)使其在可穿戴領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖3 星形、愛心形、微形傳感層以及微形傳感層與電極層的連接

2 傳感器測(cè)試與應(yīng)用

2.1 傳感器性能測(cè)量

為了量化壓力與傳感器電阻變化之間的關(guān)系，本文通過特定的實(shí)驗(yàn)裝置，逐漸增加對(duì)傳感器施加的力，并記錄其電阻的變化。測(cè)力計(jì)(sundoo 5H—5)的測(cè)力范圍是5 N,分辨率是1 mN。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的位移平臺(tái)的分辨率為1 μm。其中，施加壓力用的金屬探頭的頭部尺寸為3.5 mm2，用于結(jié)合測(cè)力計(jì)計(jì)算壓力強(qiáng)度。電阻值由LCR儀器(41100,Wayne Kerr)測(cè)量得到，測(cè)試頻率為20 kHz。傳感器靈敏度定義為

式中R為在傳感器上施加壓力P時(shí)的輸出電阻，R0為初始輸出電阻。從圖4(a)可以看出，電阻值的變化趨勢(shì)包括3個(gè)階段:緩慢階段、快速階段和飽和階段。在緩慢階段(0～10 kPa)，傳感器發(fā)生輕微變形，電阻變化較慢，靈敏度為0.824 kPa-1。在快速階段(10～40 kPa-1)，電阻隨靈敏度3.29 kPa-1快速變化。在最后飽和階段，電阻基本趨于穩(wěn)定。

為了研究傳感器的穩(wěn)定性，使用實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)傳感器進(jìn)行重復(fù)加載/卸載壓力400 s。從圖4(b)可以看出，該傳感器在0.03N(8.57 kPa-1)的重復(fù)壓力下性能良好。取局部放大顯示出響應(yīng)時(shí)間為141 ms的穩(wěn)定波形。偶爾出現(xiàn)電阻值會(huì)略高于或低于平均值，是由于上一次施力引起的無塵紙變形未能夠及時(shí)恢復(fù)，但從圖中可以看出，在自我調(diào)節(jié)下，電阻很快就會(huì)回復(fù)正常。

圖4 傳感器性能曲線

2.2 傳感器應(yīng)用

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)得出，該紙基傳感器具有靈敏度高、工作范圍大、響應(yīng)快、可重復(fù)性好等特點(diǎn)。將其應(yīng)用于生活中的人體動(dòng)作測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器不僅可以檢測(cè)到手指和手腕的彎曲等較為劇烈的運(yùn)動(dòng)，還可以用于弱運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，如手腕的脈搏檢測(cè)、喉結(jié)的振動(dòng)識(shí)別等。如圖5所示，將傳感器固定在橈動(dòng)脈上，由心跳引起的橈動(dòng)脈血管體積的膨脹造成皮膚大約30 μm的微小位移[5]，傳感器在脈搏處微小位移的弱壓力下發(fā)生形變，導(dǎo)致電阻變化。該測(cè)試人員的橈動(dòng)脈脈搏波約70次/min,數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)顯示，并足夠精確可表現(xiàn)出3個(gè)特征波:主波(P波)、潮波(T波)和重搏波(D波),與收縮舒張壓、心室壓力,心率密切相關(guān)[11]。通過脈搏壓力和波形特征的變化來評(píng)價(jià)心血管系統(tǒng)的生理和病理狀態(tài)是非常重要的。身高、性別、心率、年齡、疾病、藥物等對(duì)脈搏波形均有影響，它在醫(yī)療保健中具有重要的意義。在中國(guó)傳統(tǒng)脈診文化中,診脈的三個(gè)重要部分分別是：寸、關(guān)、尺。其中，寸處的脈搏最強(qiáng)，所以,可以在不借助外力的情況下，直接測(cè)量得到寸位置的脈搏波形(圖5(a))。關(guān)和尺處的脈博強(qiáng)度較弱，需要用手指頭在關(guān)、尺的位置按壓 (圖5 (b)、(c))才能得到較為清晰的脈搏波形圖。從圖5(b),可以得到脈搏的頻次，但是P,T,D波不能被探測(cè)到。該波形可能是手指和手腕的血管搏動(dòng)相重疊導(dǎo)致。關(guān)于脈搏這一微弱體征的準(zhǔn)確測(cè)量，表明了傳感器的靈敏性，結(jié)合醫(yī)學(xué)知識(shí)，其具有應(yīng)用于量化脈搏診斷的潛力。

圖5 寸、關(guān)、尺脈搏波形檢測(cè)

此外，還測(cè)量了喉結(jié)的振動(dòng)。將傳感器粘貼在喉結(jié)處，當(dāng)說不同的字母或吞咽時(shí)，NI采集板卡采集到的在屏幕上實(shí)時(shí)顯示的波形是不同的。圖6中的三個(gè)波形分別在說“B”,“M”和“吞咽”時(shí)收集的波形圖。

圖6 說“B”、“M”以及吞咽時(shí)檢測(cè)到的波形

從圖中，可以清晰分辨出三者的不同。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，其有可能在語音識(shí)別領(lǐng)域發(fā)揮作用。該傳感器也能有效地檢測(cè)大幅度運(yùn)動(dòng)，見圖7。

圖7 手指與手腕彎曲的波形

將傳感器分別固定在手指和手腕上，然后手指和手腕的進(jìn)行角度120°左右的彎曲，采集由此產(chǎn)生的波形，發(fā)現(xiàn)其具有相同形狀不同振幅。同時(shí)，它也可以用來檢測(cè)跳躍、行走、跑步等。如果結(jié)合深度學(xué)習(xí)方法或其他技術(shù)，將可應(yīng)用于人體步態(tài)的識(shí)別。

傳感器陣列由18個(gè)單傳感器組成，由NI—USB 6218進(jìn)行采集信號(hào)，可用于壓力分布的檢測(cè)。從圖8可視化顯示可以看出，3個(gè)手指分別放置在傳感器陣列上，在實(shí)時(shí)顯示圖形中顯示了3個(gè)淺藍(lán)色的色塊。許多人由于小時(shí)候走路姿勢(shì)不正確，導(dǎo)致腿部變形，這可以通過早期檢測(cè)和使用智能鞋墊分析壓力分布來糾正。該陣列傳感器目前可用于壓力分布的初步檢測(cè)，更為精細(xì)的測(cè)量還需要進(jìn)一步的設(shè)計(jì)與制作。

圖8 陣列傳感器壓力分布檢測(cè)

3 結(jié) 論

本文研制了一種基于無塵紙和石墨烯—碳納米管導(dǎo)電涂料的新型壓力陣列傳感器。該傳感器具有良好的靈敏度和大工作范圍(0～45 kPa)。在10～35 kPa范圍內(nèi)具有3.29 kPa-1的超高靈敏度。它具有良好的穩(wěn)定性，可同時(shí)用于檢測(cè)人體劇烈和微弱的動(dòng)作，如手指彎曲、手腕脈搏跳動(dòng)、喉結(jié)振動(dòng)等。此外，該傳感器的制造簡(jiǎn)便、成本低。優(yōu)良的性能、簡(jiǎn)易的制造工藝和低成本，使其在智能可穿戴設(shè)備中具有巨大的潛力，對(duì)可穿戴式傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)健康運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和康復(fù)干預(yù)具有重要意義。

為了更好地開發(fā)可穿戴紙基傳感器，除了陣列化方向的進(jìn)一步探究外，還需要進(jìn)一步探索更為穩(wěn)定的電路連接，集成無線傳輸模塊，使其可以真正應(yīng)用于穿戴領(lǐng)域，應(yīng)用于日常生活。