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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(jiān)測的智能纖維
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)測的可穿戴傳感器逐漸成為柔性電子學領(lǐng)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(shù)，體溫的實時監(jiān)測對于評估人體各項生命活動的質(zhì)量具有重要的意義。可穿戴溫度傳感器除了應(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)測準確性、連續(xù)性、舒適性，同時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)測用的可穿戴柔性溫度傳感器的靈敏度是一個關(guān)鍵問題。在實際應(yīng)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(yīng)變干擾信號，是可穿戴溫度傳感器面臨的另一個關(guān)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(shè)計了一種用于體溫監(jiān)測的纖維狀柔性溫度傳感器。在這種復(fù)合結(jié)構(gòu)中，TPU纖維充當堅固的骨架，它賦予復(fù)合纖維良好的機械性能（如圖1所示）。通過調(diào)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(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）。 


圖1. （a）PTCF的制備流程圖。（b）TPU纖維在制備過程中各個階段的照片。（c）TPU和PTCF的機械性能測試。 


圖2. （a）傳感器在20℃到40℃區(qū)間內(nèi)的溫度響應(yīng)曲線。（b）傳感器在20℃到21℃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，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)力對溫度測量產(chǎn)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(xiàn)出不同的溫度響應(yīng)；將退燒貼貼附于手臂處時，傳感器可以監(jiān)測到手臂溫度下降了13℃，這與紅外測溫槍的測量結(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℃，這與使用紅外測溫槍測量的結(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)測環(huán)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）。 


圖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(fā)帶騎車。（e）受試者騎車時發(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和張彤教授。


  上述工作是該團隊近期關(guān)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(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，開展微納米傳感材料的設(shè)計和制備、傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及應(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 Letters、ACS Applied Materials & Interfacs、ACS Sensors、IEEE 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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