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吉林大學(xué)張彤教授、趙紅然副教授團(tuán)隊(duì)《ACS AMI》:用于人體體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智能纖維
2022-09-29  來源:高分子科技

  隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)展,面向人體健康監(jiān)測(cè)的可穿戴傳感器逐漸成為柔性電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在人體的各種生理指標(biāo)中,體溫是反映人體健康狀況的一個(gè)重要參數(shù),體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于評(píng)估人體各項(xiàng)生命活動(dòng)的質(zhì)量具有重要的意義?纱┐鳒囟葌鞲衅鞒藨(yīng)具備良好的柔韌性和延展性,能夠貼合于皮膚表面,保證體溫監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性、連續(xù)性、舒適性,同時(shí)還要求溫度傳感器在較窄的體溫變化區(qū)間內(nèi)具有較高的靈敏度。如何提高體溫監(jiān)測(cè)用的可穿戴柔性溫度傳感器的靈敏度是一個(gè)關(guān)鍵問題。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),人體活動(dòng)引起的器件形變會(huì)引起較強(qiáng)的信號(hào)干擾,如何避免應(yīng)變干擾信號(hào),是可穿戴溫度傳感器面臨的另一個(gè)關(guān)鍵問題。


  近日,吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院張彤教授團(tuán)隊(duì)通過原位聚合法在聚氨酯(TPU)纖維表面生長PEDOT熱敏層,設(shè)計(jì)了一種用于體溫監(jiān)測(cè)的纖維狀柔性溫度傳感器。在這種復(fù)合結(jié)構(gòu)中,TPU纖維充當(dāng)堅(jiān)固的骨架,它賦予復(fù)合纖維良好的機(jī)械性能(如圖1所示)。通過調(diào)控PEDOT的氧化聚合時(shí)間、氧化劑濃度以及在聚合物單體中的溶脹時(shí)間等參數(shù)調(diào)控聚合度,使其表現(xiàn)出最佳的電阻溫度系數(shù)。所獲得的傳感器具有理想的溫度傳感特性,在20到40區(qū)間內(nèi),傳感器具有較高的靈敏度(0.95%?-1),并且其溫度響應(yīng)曲線展現(xiàn)出良好的線性度(0.998)。高靈敏度特性確保傳感器在0.2溫度梯度下依舊表現(xiàn)出明顯的溫度響應(yīng)(0.23%),其溫度分辨率可以滿足人體體溫監(jiān)測(cè)應(yīng)用的需求。該傳感器在不同溫度梯度下分別經(jīng)歷多次升降溫循環(huán)后,溫度響應(yīng)值沒有出現(xiàn)明顯的衰減,說明傳感器具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性(如圖2所示)。 


1aPTCF的制備流程圖。(bTPU纖維在制備過程中各個(gè)階段的照片。(cTPUPTCF的機(jī)械性能測(cè)試。 


2a)傳感器在2040區(qū)間內(nèi)的溫度響應(yīng)曲線。(b)傳感器在2021內(nèi)的電阻隨溫度變化曲線。(c)不同溫度梯度下傳感器的循環(huán)響應(yīng)曲線。(d)傳感器的響應(yīng)恢復(fù)曲線。


  在應(yīng)用中,可穿戴傳感器將不可避免地受到自身形變帶來的干擾信號(hào),而通過將傳感器以S”形縫制到可拉伸織物中可以有效分散應(yīng)力,降低應(yīng)力對(duì)溫度測(cè)量產(chǎn)生的影響。將傳感器縫制到護(hù)腕處分別靠近盛有溫水和涼水的燒杯時(shí),其展現(xiàn)出不同的溫度響應(yīng);將退燒貼貼附于手臂處時(shí),傳感器可以監(jiān)測(cè)到手臂溫度下降了13,這與紅外測(cè)溫槍的測(cè)量結(jié)果一致。除此之外,將傳感器縫制到受試者的發(fā)帶中,受試者騎行單車12分鐘,騎行前后傳感器表現(xiàn)出0.59%的溫度響應(yīng),這表明額頭溫度升高了0.62,這與使用紅外測(cè)溫槍測(cè)量的結(jié)果相符(騎行前后受試者的額頭溫度從32.1升高至32.7)。由此證明傳感器不僅可以監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度變化,還可以捕捉到運(yùn)動(dòng)時(shí)體溫的微小變化(如圖3所示)。 


3.a)傳感器以“S”形縫制到護(hù)腕中。(b)帶有傳感器的護(hù)腕靠近盛有水的燒杯。(c)傳感器靠近盛有溫水和冷水時(shí)的電阻變化曲線。(d)受試者戴縫制有傳感器的發(fā)帶騎車。(e)受試者騎車時(shí)發(fā)帶中傳感器的響應(yīng)曲線。(f-g)退燒貼貼附于手臂上時(shí)傳感器的響應(yīng)曲線。


  本文以“Wearable Temperature Sensor with High Resolution for Skin Temperature Monitoring”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上,第一作者為李凡博士,通訊作者為趙紅然副教授張彤教授。


  上述工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于可穿戴柔性傳感器的最新進(jìn)展之一。吉林大學(xué)微納傳感材料與器件實(shí)驗(yàn)室(SMDLAB)長期致力于面向工業(yè)生產(chǎn)安全、環(huán)境污染、人體健康以及家居環(huán)境等領(lǐng)域的氣體、濕度、壓力、溫度、生物分子等傳感檢測(cè),開展微納米傳感材料的設(shè)計(jì)和制備、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用開發(fā)。相關(guān)成果還發(fā)表在Small、Small Methods、Biosensors & Bioelectronics、Journal of Hazardous Material、Nano-Micro LettersACS Applied Materials & Interfacs、ACS SensorsIEEE Electron Device Letters、Sensors and Actuators B:Chemical等期刊上。


  課題組網(wǎng)站鏈接http://smdlab.jlu.edu.cn/index.htm


  原文鏈接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c15687

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