面向人体运动检测的纸基柔性压力阵列传感器*

廖璐璐， 高鲲鹏， 杨汉嘉， 王晓林， 刘景全

(上海交通大学 微纳电子学系 微米/纳米加工技术国家级重点实验室，上海 200240)

0 引 言

可穿戴传感器在远程健康监测、康复训练、疾病诊断和人体运动检测等方面具有良好的应用前景。其传感的工作机理可分为五类:摩擦电[1,2]、电容式[3,4]、压电式[2,5,6]、光学式、压阻式[7～9]。文献[5]报道了一种压电式传感器，该传感器以聚乙烯(乙烯基氟乙烯—三氟乙烯)的电纺丝束作为压电传感层，以超薄弹性体作为衬底，可以检测到的最小1 μm的形变,能用于检测脉搏波。陈某等人[3]开发了多孔聚二甲基硅氧烷(poly dimethyl siloxane,PDMS)电容式传感器，将PDMS与NH4HCO3混合，使PDMS弹性体中具有高密度的气泡。该传感器在低压力范围内具有快速响应能力和高灵敏度(0.01 kPa-1)。而文献[4]将离子凝胶设计具有微金字塔结构的薄膜作为传感层，进行了超薄高灵敏电容式传感器的研究(41.64 kPa-1)。

文献[3～5]提到的纳米纤维垫、多孔PDMS薄膜和微金字塔结构凝胶薄膜具有共同的特点是：具有孔隙结构，它们的基本工作原理均由外界应力引起空隙的变化，从而导致电气性能的改变。

近年来，将纺织物用于传感材料制作引起了人们的广泛关注，许多研究者对纺织品的机电性能进行了研究分析[10]。导电化后，由于纱线的伸缩、接触等原因，导电纤维在外力作用下的电阻会发生变化。纱线间大量的孔隙有助于提高导电织物的灵敏度。其工作机理与上述多孔结构相似。研究表明，碳化丝绸基底传感器[8]和碳化棉布基底传感器，两者均具有高灵敏度和大应变范围。然而，碳化的过程比较复杂，同时纤维会变性脆化。

本文受上述结果的启发，发现纸张是一种理想的材料，它原本就充满了空隙，并且成本低廉。由于无尘纸优越的吸液性能和抗拉强度，最终选择以其作为基底，用石墨烯—碳纳米管导电涂料和PDMS (Dow Corning MG-9850 soft adhesive kit)的混合物作为功能材料，将其涂抹在无尘纸上使其导电化并且具有粘性用于电气连接。纸基传感层具有强粘度和导电性，可直接与电极层相连，解决纺织物、纸质传感器连接不便的问题。该传感层能够稳定地连接到PI电极层上，并且可以很容易地从PI上剥离下来而不会改变其粘度。PI电极层便可以重复使用。同时该传感器具有灵敏度高(3.29 kPa-1)，响应速度快(141 ms)，工作压力范围宽(0～45 kPa)，耐久性好，工艺简便，成本低的优点。

1 传感器材料与制作

1.1 材料与原理

无尘纸(苏州迈思源净化制品有限公司)由55 %的纤维素和45 %的聚酯纤维组成，因而它们具有优异的吸液性能和高抗拉强度。由于无尘性和不易起毛的特点，适合在净化实验室使用。经过导电涂料处理的无尘纸微观结构如图1所示。该导电无尘纸样品被激光切成1 mm×2 mm,扫描电镜(scanning electron microscopey,SEM)图像显示，样品由定向纤维构成，纤维间有大量间隙。

图1 导电化无尘纸电镜图

粘性PDMS与普通的PDMS不同，其以质量比为1∶1与固化剂进行混合。把它们涂抹在无尘纸单面，并放置在85 ℃的烘箱里12 h，它将变成单面具有粘性的无尘纸。可将其粘贴在皮肤、衣物表面，很容易剥离，且几乎不影响粘度。如果多次使用后粘度降低，用乙醇擦拭粘性表面，可以在一定程度上恢复粘度。粘性PDMS有两个用途:1)与导电涂料混合用于电气连接；2)提供普通无尘纸粘性用于与衣物或者测试者皮肤粘贴。

传感器的工作原理是，当外界压力作用于纸的表面时，纤维的间隙和密度发生变化，导致沿纤维的电子迁移率变化，从而引起电阻的变化。

1.2 传感器制作

单个传感器的制造过程如图2(a)所示。粘性的PDMS和固化剂按照质量比1∶1混合,然后将与PDMS等质量的石墨烯—碳纳米管导电涂料(苏州碳丰石墨烯科技有限公司)倒入烧杯中，将混合物搅拌30 min后，用滴管吸取混合物滴到无尘纸表面使其均匀渗透。在烤箱中以85 ℃的温度烘12 h后取出，沿着纤维的方向将无尘纸切成条状。最后，将薄膜铜片压在无尘纸传感层两端作为电极引出。

阵列传感器的制作过程如图2(b)、图2(c)所示，用AutoCAD软件设计图案，再用激光切割机将无尘纸切割成形，每个传感块之间留有空隙并且由宽度为1.5 mm的纤维连接在一起。最后用滴管将导电涂料涂在无尘纸表面，由于存在空隙的隔离，导电涂料可以在一定程度上避免毛细管效应从而限制在传感区域。电极层和传感层阵列的装配如图2(c)所示。电极层采用MEMS工艺制作，以PI作为衬底。将两个Au电极点之间的PI衬底挖空，使传感部分可以更好地形变。延长部分和补强板的设计是为了方便传感器连接到信号采集电路板。将传感层两端分别对准电极点，通过传感层自身的粘度和导电性将传感层与电极层连接起来。

信号采集电路由分压电阻和信号采集装置(NI USB—6218)组成。NI USB—6218将电阻的变化转化为电压的变化,并实时记录和显示在Signal Express软件上。

图2 传感器的制作过程

由于无尘纸的易加工特点，使得该传感层可以设计成各种形状:星星、心形,甚至是可爱的小动物。尺寸上可以设计为1 mm×2 mm,或更小(图3)。可爱的外表和尺寸可调的特点使其在可穿戴领域具有一定的优势。

图3 星形、爱心形、微形传感层以及微形传感层与电极层的连接

2 传感器测试与应用

2.1 传感器性能测量

为了量化压力与传感器电阻变化之间的关系，本文通过特定的实验装置，逐渐增加对传感器施加的力，并记录其电阻的变化。测力计(sundoo 5H—5)的测力范围是5 N,分辨率是1 mN。由电机驱动的位移平台的分辨率为1 μm。其中，施加压力用的金属探头的头部尺寸为3.5 mm2，用于结合测力计计算压力强度。电阻值由LCR仪器(41100,Wayne Kerr)测量得到，测试频率为20 kHz。传感器灵敏度定义为

式中R为在传感器上施加压力P时的输出电阻，R0为初始输出电阻。从图4(a)可以看出，电阻值的变化趋势包括3个阶段:缓慢阶段、快速阶段和饱和阶段。在缓慢阶段(0～10 kPa)，传感器发生轻微变形，电阻变化较慢，灵敏度为0.824 kPa-1。在快速阶段(10～40 kPa-1)，电阻随灵敏度3.29 kPa-1快速变化。在最后饱和阶段，电阻基本趋于稳定。

为了研究传感器的稳定性，使用实验装置对传感器进行重复加载/卸载压力400 s。从图4(b)可以看出，该传感器在0.03N(8.57 kPa-1)的重复压力下性能良好。取局部放大显示出响应时间为141 ms的稳定波形。偶尔出现电阻值会略高于或低于平均值，是由于上一次施力引起的无尘纸变形未能够及时恢复，但从图中可以看出，在自我调节下，电阻很快就会回复正常。

图4 传感器性能曲线

2.2 传感器应用

根据上述实验得出，该纸基传感器具有灵敏度高、工作范围大、响应快、可重复性好等特点。将其应用于生活中的人体动作测试，测试结果表明，该传感器不仅可以检测到手指和手腕的弯曲等较为剧烈的运动，还可以用于弱运动检测，如手腕的脉搏检测、喉结的振动识别等。如图5所示，将传感器固定在桡动脉上，由心跳引起的桡动脉血管体积的膨胀造成皮肤大约30 μm的微小位移[5]，传感器在脉搏处微小位移的弱压力下发生形变，导致电阻变化。该测试人员的桡动脉脉搏波约70次/min,数据可实时显示，并足够精确可表现出3个特征波:主波(P波)、潮波(T波)和重搏波(D波),与收缩舒张压、心室压力,心率密切相关[11]。通过脉搏压力和波形特征的变化来评价心血管系统的生理和病理状态是非常重要的。身高、性别、心率、年龄、疾病、药物等对脉搏波形均有影响，它在医疗保健中具有重要的意义。在中国传统脉诊文化中,诊脉的三个重要部分分别是：寸、关、尺。其中，寸处的脉搏最强，所以,可以在不借助外力的情况下，直接测量得到寸位置的脉搏波形(图5(a))。关和尺处的脉博强度较弱，需要用手指头在关、尺的位置按压 (图5 (b)、(c))才能得到较为清晰的脉搏波形图。从图5(b),可以得到脉搏的频次，但是P,T,D波不能被探测到。该波形可能是手指和手腕的血管搏动相重叠导致。关于脉搏这一微弱体征的准确测量，表明了传感器的灵敏性，结合医学知识，其具有应用于量化脉搏诊断的潜力。

图5 寸、关、尺脉搏波形检测

此外，还测量了喉结的振动。将传感器粘贴在喉结处，当说不同的字母或吞咽时，NI采集板卡采集到的在屏幕上实时显示的波形是不同的。图6中的三个波形分别在说“B”,“M”和“吞咽”时收集的波形图。

图6 说“B”、“M”以及吞咽时检测到的波形

从图中，可以清晰分辨出三者的不同。结合机器学习技术，其有可能在语音识别领域发挥作用。该传感器也能有效地检测大幅度运动，见图7。

图7 手指与手腕弯曲的波形

将传感器分别固定在手指和手腕上，然后手指和手腕的进行角度120°左右的弯曲，采集由此产生的波形，发现其具有相同形状不同振幅。同时，它也可以用来检测跳跃、行走、跑步等。如果结合深度学习方法或其他技术，将可应用于人体步态的识别。

传感器阵列由18个单传感器组成，由NI—USB 6218进行采集信号，可用于压力分布的检测。从图8可视化显示可以看出，3个手指分别放置在传感器阵列上，在实时显示图形中显示了3个浅蓝色的色块。许多人由于小时候走路姿势不正确，导致腿部变形，这可以通过早期检测和使用智能鞋垫分析压力分布来纠正。该阵列传感器目前可用于压力分布的初步检测，更为精细的测量还需要进一步的设计与制作。

图8 阵列传感器压力分布检测

3 结 论

本文研制了一种基于无尘纸和石墨烯—碳纳米管导电涂料的新型压力阵列传感器。该传感器具有良好的灵敏度和大工作范围(0～45 kPa)。在10～35 kPa范围内具有3.29 kPa-1的超高灵敏度。它具有良好的稳定性，可同时用于检测人体剧烈和微弱的动作，如手指弯曲、手腕脉搏跳动、喉结振动等。此外，该传感器的制造简便、成本低。优良的性能、简易的制造工艺和低成本，使其在智能可穿戴设备中具有巨大的潜力，对可穿戴式传感器进行实时健康运动检测和康复干预具有重要意义。

为了更好地开发可穿戴纸基传感器，除了阵列化方向的进一步探究外，还需要进一步探索更为稳定的电路连接，集成无线传输模块，使其可以真正应用于穿戴领域，应用于日常生活。