用于人体健康监测的自驱动柔性驻极体压力传感器研究

论文摘要

柔性医疗电子器件具有体积小,成本低、便于携带、不干扰正常生活、便于智能化管理等优势,对医疗物联网（IoMT）或智慧医疗等有着极其重要的意义。人体界面柔性传感器件作为沟通人体生理状况和外部世界的核心媒介,在柔性医疗电子器件中有着举足轻重的地位。通过人体界面的各种物理、化学、生物信号可以进行人体健康相关的检测,而压力作为人体物理信号中最常见的一种,可以从一定程度上反映人体心血管系统、呼吸系统等方面的健康状况。传统的柔性压力传感器如压阻型或电容型压力传感器需要依靠电池供电,势必会造成诸多不便,新兴的柔性驻极体压力传感器具有自驱动、输出大、成本低、质量轻等优势,有望在人体界面力学生理信号检测方面发挥重大作用,但相关研究甚少,而开发高性能自驱动驻极体压力传感器对人体健康监测特别是智慧医疗或移动医疗具有重要意义。因此,本文围绕柔性自驱动驻极体压力传感器,针对其基本物理模型、工作原理、力电转换行为、输出特性、传感性能进行系统的理论分析和实验探究,致力于开发能够进行移动连续实时人体生理信号监测的高柔性、高灵敏度、宽压力传感范围和高稳定的自驱动驻极体压力传感器。主要研究内容和成果概述如下:1.基于驻极体压力传感器的基本电学物理模型和工作原理,理论分析其内部电荷、电势、电场分布情况和电学输出特性,探究影响驻极体压力传感器输出性能的因素,并基于压敏部件的力学形变行为与驻极体压力传感器输出之间的力电关系,揭示影响驻极体压力传感器灵敏度的本质因素,提出一种低杨氏模量支撑结构来实现高灵敏度的策略,开发出一种具有空心微弹体结构的高灵敏柔性自驱动驻极体压力传感器,并探索其在柔性非侵扰式人体生理信号监测方面的应用。该压力传感器具有较高的柔性、高达18.98 V?kPa-1的压力传感灵敏度、较快的响应时间（约为57 ms）和良好的循环稳定性（>10000）,灵敏性远远超越商用聚偏氟乙烯（PVDF）柔性自驱动压力传感器和众多文献报道的其他自驱动压力传感器。在不接触人体皮肤的情况下,成功实现人体睡眠时的呼吸（包括呼吸暂停、咳嗽等）、心跳、体动等一系列人体生理活动的监测。2.基于驻极体压力传感器的简化物理模型,进一步分析压敏部件的形变行为、压力传感范围和灵敏度三者之间的关系,并探究影响压力传感范围的本质因素,系统构建驻极体压力传感器传感性能的理论体系。提出一种采用多级结构调控并平衡灵敏度和压力传感范围的策略,开发出一种多级结构柔性驻极体压力传感器,并率先探索和拓展了其在人体可穿戴连续实时多功能心血管监测方面的应用。该驻极体压力传感器不仅具有较高的灵敏度(7.989 V·kPa-1),而且在0.160 kPa的压力范围内都有着较高的压力响应,该性能优异于同类柔性自驱动驻极体压力传感器,同时具有较好的循环稳定性（>8000）和较快的响应时间（40 ms）。该器件不仅能够实时进行人体的脉搏、心脏状况和血管状况的监测,而且能够对人体血压状况进行监测。3.进一步探究实现高线性灵敏度、宽线性传感范围和高稳定性驻极体压力传感器的方法。利用膨化法制备一种具有胞状气隙结构的高线性灵敏度和宽线性压力范围的高稳定多孔聚丙烯驻极体压力传感器。该驻极体压力传感器在050 kPa的宽压力传感范围内具有高达0.09 V?kPa-1的线性灵敏度,该线性灵敏度和线性传感范围超越众多自驱动柔性压力传感器。提出一种通过空间电荷取向调控和叠层累加效应进一步提高其线性灵敏度的方法。该驻极体压力传感器成功实现对人体平躺时呼吸、心跳和体动等生理信号的实时连续监测,表现出优异的长期使用稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 人体健康监测机制
•   1.3 柔性压力传感器
•   1.4 驻极体与驻极体压力传感器
•   1.5 本论文的研究目标及主要研究内容
• 2 高灵敏空心微弹体驻极体压力传感器
•   2.1 引言
•   2.2 驻极体压力传感器灵敏度的理论研究
•   2.3 空心微弹体驻极体压力传感器的制备
•   2.4 空心微弹体驻极体压力传感器的压力传感性能
•   2.5 空心微弹体驻极体压力传感器用于睡眠式人体健康监测
•   2.6 本章小结
• 3 宽压力传感范围多级结构驻极体压力传感器
•   3.1 引言
•   3.2 驻极体压力传感器压力传感范围的理论研究
•   3.3 多级结构柔性驻极体压力传感器的制备
•   3.4 多级结构柔性驻极体压力传感器的压力传感性能
•   3.5 多级结构柔性驻极体压力传感器在连续心血管监测中的应用
•   3.6 本章小结
• 4 高线性胞状气隙驻极体压力传感器
•   4.1 引言
•   4.2 胞状气隙驻极体压力传感器的制备
•   4.3 胞状气隙驻极体压力传感器的理论研究
•   4.4 胞状气隙驻极体压力传感器的压力传感性能
•   4.5 胞状气隙驻极体压力传感器在人体生理信号监测中的应用
•   4.6 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间发表专利目录
• 附录3 攻读博士学位期间参加的学术会议

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈书文

导师: 周军

关键词: 柔性可穿戴,移动医疗电子器件,自驱动压力传感,柔性机电换能器,驻极体,纳米发电机

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

专业: 生物学,生物医学工程,自动化技术

单位: 华中科技大学

分类号: R318;TP212

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004760

总页数: 158

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