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吉林大學張彤教授、趙紅然副教授團隊《ACS AMI》:用于人體體溫實時監測的智能纖維
2022-09-29  來源:高分子科技

  隨著柔性電子技術的發展,面向人體健康監測的可穿戴傳感器逐漸成為柔性電子學領域的研究熱點。在人體的各種生理指標中,體溫是反映人體健康狀況的一個重要參數,體溫的實時監測對于評估人體各項生命活動的質量具有重要的意義。可穿戴溫度傳感器除了應具備良好的柔韌性和延展性,能夠貼合于皮膚表面,保證體溫監測準確性、連續性、舒適性,同時還要求溫度傳感器在較窄的體溫變化區間內具有較高的靈敏度。如何提高體溫監測用的可穿戴柔性溫度傳感器的靈敏度是一個關鍵問題。在實際應用時,人體活動引起的器件形變會引起較強的信號干擾,如何避免應變干擾信號,是可穿戴溫度傳感器面臨的另一個關鍵問題。


  近日,吉林大學電子科學與工程學院張彤教授團隊通過原位聚合法在聚氨酯(TPU)纖維表面生長PEDOT熱敏層,設計了一種用于體溫監測的纖維狀柔性溫度傳感器。在這種復合結構中,TPU纖維充當堅固的骨架,它賦予復合纖維良好的機械性能(如圖1所示)。通過調控PEDOT的氧化聚合時間、氧化劑濃度以及在聚合物單體中的溶脹時間等參數調控聚合度,使其表現出最佳的電阻溫度系數。所獲得的傳感器具有理想的溫度傳感特性,在20到40區間內,傳感器具有較高的靈敏度(0.95%?-1),并且其溫度響應曲線展現出良好的線性度(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出明顯的溫度響應(0.23%),其溫度分辨率可以滿足人體體溫監測應用的需求。該傳感器在不同溫度梯度下分別經歷多次升降溫循環后,溫度響應值沒有出現明顯的衰減,說明傳感器具有良好的循環穩定性(如圖2所示)。 


1aPTCF的制備流程圖。(bTPU纖維在制備過程中各個階段的照片。(cTPUPTCF的機械性能測試。 


2a)傳感器在2040區間內的溫度響應曲線。(b)傳感器在2021的電阻隨溫度變化曲線。(c)不同溫度梯度下傳感器的循環響應曲線。(d)傳感器的響應恢復曲線。


  在應用中,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,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力,降低應力對溫度測量產生的影響。將傳感器縫制到護腕處分別靠近盛有溫水和涼水的燒杯時,其展現出不同的溫度響應;將退燒貼貼附于手臂處時,傳感器可以監測到手臂溫度下降了13,這與紅外測溫槍的測量結果一致。除此之外,將傳感器縫制到受試者的發帶中,受試者騎行單車12分鐘,騎行前后傳感器表現出0.59%的溫度響應,這表明額頭溫度升高了0.62,這與使用紅外測溫槍測量的結果相符(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測環境溫度變化,還可以捕捉到運動時體溫的微小變化(如圖3所示)。 


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


  本文以“Wearable Temperature Sensor with High Resolution for Skin Temperature Monitoring”為題發表在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。


  上述工作是團隊近期關于可穿戴柔性傳感器的最新進展之一。吉林大學微納傳感材料與器件實驗室(SMDLAB)長期致力于面向工業生產安全、環境污染、人體健康以及家居環境等領域的氣體、濕度、壓力、溫度、生物分子等傳感檢測,開展微納米傳感材料的設計和制備、傳感器的結構設計以及應用開發。相關成果還發表在SmallSmall MethodsBiosensors & BioelectronicsJournal of Hazardous MaterialNano-Micro LettersACS Applied Materials & InterfacsACS SensorsIEEE Electron Device LettersSensors and Actuators B:Chemical等期刊上。


  課題組網站鏈接http://smdlab.jlu.edu.cn/index.htm


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

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(責任編輯:xu)
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