柔性非接触式电容传感器的设计与制备

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:a5346160
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多年来人类一直在与健康问题作斗争,疾病的出现常常引起人们极大的焦虑和痛苦。体温、脉搏、呼吸等人体生理信号的持久监测,对于疾病的诊断、医治和术后康复有很大的帮助。但是,目前医院和日常生活中使用较为广泛的接触式传感器,都是紧密贴附在皮肤表面对生理信号进行监测,存在着穿戴不舒适、资源浪费、干扰人体正常活动等局限性。因此,以非接触方式监测生理信号的方法应运而生,其可以在不干扰人体正常活动的前提下探测出呼吸、脉搏、心率等生理信号。目前常用的非接触式监测方法主要有热红外成像、多普勒雷达探测法和电容耦合法等。相比其他方法而言,电容耦合法因具有结构简单、重量轻和能耗低等优点,是进行非接触健康监测的更理想方法。电容耦合传感器包括自电容和互电容两种类型,其中基于互电容原理的电容传感器因不易受到环境共模噪声和空气循环变化的影响,是较为理想的监测器件。当前,基于互电容原理的非接触式电容传感器仅仅实现了对手指靠近距离和导电物体形状的探测,因其灵敏度低、探测能力弱,还难以完成对呼吸、脉搏等微弱生理信号的探测。为了提高电容传感器在非接触模式下的灵敏度,成功监测出人体微弱的生理信号,作者主要进行了以下工作:(1)液态金属(LMs)与PDMS以不同质量比混合获得了具有良好导电性和流变性的浆料,进而采用模板印刷法制备出了液态金属@PDMS电极,并通过激光雕刻机直接刻蚀出所需形状的电极模板;同时,利用水与PDMS混合固化后得到多孔结构的PDMS,从而制备出了具有低介电常数的介质层。(2)通过分析基于互电容原理的电容传感器在非接触模式下的工作原理,发现了影响电容传感器非接触探测率的决定因素是电极结构和介质层的介电常数;并采用COMSOL软件进行了模拟验证,最终发现上电极为圆环形、下电极为圆盘形、同时介质层为低介电常数的电容传感器,在非接触模式下的电容变化率最高。(3)根据模拟结果,用模板印刷法制备了圆环形和圆盘形LMs@PDMS电极,将水与PDMS混合固化后制备了多孔PDMS,进而分别以其作为上电极、下电极和介质层制备了电容传感器。该电容传感器在非接触状态下具有优异的非接触探测性能,且对拉伸和压缩应变均不敏感,具有良好的抗变形干扰能力;同时,该传感器还具备优良的抗疲劳性能。最终将该电容传感器植入衣物和家具中后,成功实现了对人体呼吸和脉搏信号的非接触探测,在人机交互、软体机器人等领域中展现出了巨大的应用潜力。
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