可穿戴摩擦电脉搏波传感器制作的实验研究

刘小青，谢 非，王 立

（1.南昌大学理学院，南昌 330031；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所微纳光子学与材料国际实验室，长春 130033）

0 引言

面临心血管疾病对人体健康日益剧增的威胁［1］，实时监测心血管的各项信息，对于心血管疾病的预防与预后有着重要意义。脉搏波是心脏搏动产生的沿动脉血管和血流向外周传播而形成的波，它的波幅和形态中携带了人体大量的心血管系统生理和病理信息，其特征指数可以有效反映人体生理状况和各项指标［2-3］。因此对脉搏参数的监测在临床诊断方面和基础研究都具有非常重要的意义和价值。

脉搏监测设备研制开始于上世纪50 年代，至今主要有两类监测脉搏的智能设备：一是通过测量电容、电阻或使用压电材料来体现动脉压力变化的脉搏传感器［4-5］，该类设备依赖于高性能材料；另一类是通过测量手指末端透光率的光电式脉搏传感器，其极易受到外界干扰，如背景光干扰、电磁干扰等［6］。这两类脉搏监测设备都必须配备外接电源，工作电路系统复杂，各自的缺点限制了它们的应用范围。因此越来越多的研究人员将目光投向了柔性可穿戴脉搏传感器［7-10］。

本文通过利用摩擦电纳米发电机［11-14］的工作原理实现环境中机械能到电能的转换来解决监测设备需外接电源问题，利用生活中常见的塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚四氟乙烯（PTFE）做主要材料，解决柔性、灵敏度和成本问题，制备了一种柔性可穿戴、自驱动、高灵敏、低成本的摩擦电脉搏波传感器（TGPs），该探测器在人体桡动脉处进行无创实时监测脉搏波的性能良好。

1 TGP-s的制备

摩擦电脉搏波传感器的主要材料有PET、PTFE，其制备流程如图1 所示，主要包括PET、PTFE 的处理和TGP-s的组装。

图1 TGP-s制备流程图

1.1 PET处理方法

（1）利用铣床加工或直接压膜定制带有凹槽PET，大小2 cm ×2 cm，厚度0.4 mm，凹槽深度0.2 mm，凹槽直径12 mm，如图1 所示；

（2）在PET表面的凹槽内均匀涂抹导电银胶，将溢出凹槽外的导电银胶清理干净后，放置一段时间，待其固化；

（3）处理漆包线两端使之能够导电，利用铜胶带将漆包线固定在PET表面的凹槽内。

1.2 PTFE处理方法

（1）用剪刀剪裁一个大小10 cm × 10 cm 的PTFE，利用无水乙醇清洗PTFE，确保PTFE表面清洁；

（2）将清理后的PTFE平整地放置在电子束真空镀膜机的样品盘上，控制适当的蒸发速率，蒸镀120 nm的铜金属层作电极；

（3）将蒸镀了金属层的PTFE剪裁成若干个3 cm×3 cm的小正方形；

（4）处理漆包线两端使之可以导电，利用铜胶带将漆包线固定在PTFE蒸镀了金属层的一面。

1.3 TGP-s组装

（1）处理后的PET凹槽周围粘贴双面胶。

（2）将处理后的PTFE 薄膜与无尘纸摩擦，PTFE薄膜充分摩擦后（摩擦是为了让电子从无尘纸上转移至PTFE，使PTFE表面带有一定量的负电荷［15］，该处理方法可有效地提高传感器的输出电压），将PTFE 平整放置在无尘纸上。

（3）除去PET 表面双面胶的隔离纸，沿PTFE 没有金属镀层一面的边缘覆盖其表面。

（4）剪去边缘多余的PTFE 薄膜后，使用Kapton胶带封装整个传感器，同时起到绝缘作用。

（5）为了使传感器在测量过程中不受人体电势的影响，对暴露在外侧的PTFE 薄膜金属镀层表面采用Kapton胶带作为绝缘层，该处理既可保留PTFE 薄膜材料的良好柔性，也能更好地保护传感器上的电极不受损耗。除外，两个电极引出的漆包线焊接到带有水晶头的导线上，便于传感器的更换和传感器与数据采集设备连接。

本探测器采用的PET 最大厚度为0.4 mm，较小的厚度使得它具有很好弹性性能，可以保证传感器与桡动脉充分接触；PTFE 的厚度仅有0.1 mm，良好的柔性使得它能更加灵敏地感知人体脉搏搏动，大大提高了传感器的灵敏度；带有凹槽结构的PET可很好地解决摩擦电纳米发电机中对两种材料接触-分离式的摩擦需求，仅0.2 mm的凹槽深度，对于采集人体中机械振动较弱的脉搏搏动来说十分灵敏，可以有效将脉搏搏动的机械能转化为电信号。除外，本探测器内嵌式的凹槽结构，更有利于传感器的封装，避免了因外界环境氧化、腐蚀以及空气湿度等因素影响到传感器的稳定性。

2 TGP-s的结构与工作原理

TGP-s的基本结构是由带有金属镀层的PET 和PTFE薄膜组成，如图2 所示。两种材料表面的金属镀层作为电极（通过实验校正，规定PTFE 表面的金属铜层为传感器的正电极，PET 表面的金属银胶层为传感器的负电极），使用铜胶带将两端去除绝缘层的漆包线固定在两个电极上，用来连接数据采集设备的输入端。

图2 TGP-s的结构示意图

TGP-s是基于摩擦电纳米发电机工作原理，实现环境中机械能到电能的转换，如图3 所示。在初始状态，PET上的金属银胶层和PTFE 薄膜是分离的，当一个外界刺激作用到TGP-s 上时，银胶层与PTFE 薄膜接触摩擦，由于摩擦起电效应，电子从银胶层流到PTFE薄膜，两种薄层上产生等量异种的电荷。当这个外界刺激被移除时，银胶层与PTFE 薄膜将会由于PET的弹性而分离，它们的接触面之间形成电势差，若用外部负载将两个电极连接起来，则电子经外电路流回PET膜上的金属银胶层，从而平衡银胶层与PTFE薄膜间形成的电势差。当银胶层与PTFE 薄膜重新发生接触，摩擦电荷形成的电势差消失，电子从PET 膜上的金属银胶层回流至PTFE 薄膜。TGP-s 就是在这样不断的接触分离过程中输出交变变化的电流信号［7］。

图3 TGP-s的工作原理

3 TGP-s性能测试

TGP-s使用方法：将TGP-s固定到人的桡动脉上，由于PTFE材料良好的柔性使其更容易感知人体脉搏的搏动，因此PTFE 面与人体皮肤接触。测试前，将TGP-s与信号采集设备连接，在信号的输入端连接一个短路开关，其作用是消除在固定传感器的过程中，由于上下两薄膜不断地摩擦而积累的电势，每次测量前，先将传感器的正电极和负电极短路，平衡这一部分电势后再断开开关，最后开始监测脉搏波的时域信号，并将采集到的时域数据进行傅里叶变换，得到频谱图。

3.1 TGP-s稳定性分析

为验证本脉搏波传感器的稳定性，随机选取一个TGP-s传感器对护理专业中使用到的模拟人设备进行了脉搏监测。图4 是对频率为60 r/min的信号进行了监测，将采集到的数据进行傅里叶变换处理，得到的频谱图。

图4 传感器监测模拟人设备桡动脉处信号的频谱图

用该TGP-s对模拟人设备进行两组脉搏监测。首先将传感器固定到模拟人的桡动脉处，进行第1 组的连续测量4 次，然后将传感器摘除并重新捆绑固定，再进行第2 组的连续4 次测量，实验结果分别如表1、2所示。

表1 传感器第1 组连续4 次监测的频谱中各级谐波的幅度及其相对误差

从实验结果来看，在谐波幅值方面，对于相同传感器相同位置，每1 次测量之间仍有一定误差，但是该误差是极小的，最大的相对误差也仅有1.67%，说明本脉搏波传感器对于脉搏信号的监测是十分稳定的。特别值得关注的是，对于相同的信号源，其每一次测量的谐波都出现在相同的频率上，即使调整固定传感器的位置和捆绑力度，也不会影响频谱中谐波的频率，表明TGP-s对于监测与时间有关的信息是十分准确且稳定的。

表2 传感器第2 组连续4 次监测的频谱中各级谐波的幅度及其相对误差

3.2 不同人群的监测结果

用TGP-s对不同人群的脉搏进行了监测，图5～8分别给出了测试人群中2 名青年女生、2 名青年男生、2 名女性中年教师、2 名男性中年教师（青年对象：18～23 岁；中年对象：35～45 岁）脉搏波及频谱图。

图5 两名青年女生桡动脉脉搏波频谱图

可以看出，在4 位青年人的脉搏波中，P波和D波十分明显，极易区分，且P波和D波都非常尖锐，反映出了青年人的血管具有非常好的弹性；中年人的脉搏波中，无论是P波还是D波都相对较宽，普遍已经有T波出现的趋势，大部分监测者的脉搏波出现D 波消失的现象，这是由于随着年龄的增长，人体中血管的弹性不可避免地逐渐降低，从而会引起脉搏波形发生明显改变。

图6 两名青年男生桡动脉脉搏波频谱图

图7 两名中年女性教师桡动脉脉搏波频谱图

图8 两名中年男性教师桡动脉脉搏波频谱图

通过对不同人群的脉搏波监测结果来看，TGP-s可以监测到不同人群脉搏波之间的差异性，验证了TGP-s的普适性。

3.3 运动前后脉搏波的监测结果

图9 所示为一位23 岁健康（无基础疾病，无感冒、咳嗽、发炎等症状）青年人1 h篮球运动前后的脉搏波及频谱对比。测量运动前的脉搏数据时，在被监测者的桡动脉处标记传感器的固定位置，便于运动后固定在相同位置，减小因测量位置不同带来脉搏波的差异。从对比图像可以看出，被监测者运动前后的心率和脉搏波的波形都有着明显的差异。被监测者的脉搏波运动后尾波消失，D 波更加明显，且心率明显增加；频谱方面，运动后的频谱各级谐波分量发生偏移，出现在更高的频率位置；频谱中第1 次谐波的频率恰好对应着被监测者的心跳频率。从被监测者运动前后的脉搏波及频谱中表现出来的差异性，表明TGP-s 对个体不同生理状态的监测是有效且准确的，对人体日常的脉搏信号的监测是可行的。

图9 健康青年男性运动前（左）与运动后（右）的脉搏波及频谱对比

4 结语

本文提出了一种基于摩擦电纳米发电机实现可穿戴脉搏波传感器制作的综合性实验方法。从实验结果来看，TGP-s传感器不仅可以灵敏监测到人体桡动脉的搏动，而且可以用采集到的数据清晰地描绘出脉搏波的波形，为从脉搏波中提取人体的生理病理信息奠定了基础。由于使用的两种主要材料价格十分低廉，且传感器的制作工艺非常简单，使得本脉搏波传感器与传统的医用脉搏波诊断仪以及常见的光电式等脉搏传感器相比，具有低成本、体积小、柔性可穿戴、自驱动，制备简单等优势，用于对人体日常的脉搏监测评估是有效且可行的。同时，本实验需要设计信号采集及处理方案和真空蒸镀技术，蕴含了确实可行的传感器制备的创新思维，非常适合在普通高等院校物理、材料和生物及其相关交叉学科开展综合性设计性实验教学。