受灯笼启发的具有螺旋互连结构的表皮电子传感器

以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿

表皮电子学因其在人机交互和健康监测中的各种潜在应用而引起了广泛关注。然而，由于表皮电子传感器和刚性电路板之间缺乏自粘和稳定的互连方法，在日常生活中，表皮电子传感器准确检测身体信号仍然存在困难。

基于此，清华大学任天令、杨轶、刘厚方合作团队为表皮电子传感器引入了3D螺旋互连结构，灵感来自手风琴灯笼，互连由两个电纺聚氨酯（PU）纤维膜和一个螺旋形金属纤维组成。螺旋形金属纤维作为具有可拉伸性的稳定导体，聚氨酯纤维膜与聚二甲基硅氧烷一起提供自粘基材。机械模拟和测试证明，所提出的互连可以以优异的电稳定性（在100%伸长时电阻变化小于0.5%）层压到人类皮肤上。此外，基于所提出的互连模式，作者提出了一种一体式传感器互连设计，该设计赋予表皮电子系统抗运动干扰的能力。作者演示了由单个一体式应变传感器实现的手势识别腕带系统。并且成功地构建了一个可精确监测动态12导联心电图的无线皮肤系统。该论文以" Lantern-Inspired On-Skin Helical Interconnects for Epidermal Electronic Sensors"为题在发表在Advanced Functional Materials杂志。

实现表面螺旋互连（OSHI）的概念和策略

手风琴灯笼是一个中空结构，由一个内环状骨架和一个覆盖薄层组成，如图1a所示。这种巧妙的设计使得在节日期间可以方便地压缩、保存或拉伸到原始形状。受手风琴提灯的启发，以螺旋金属纤维作为支撑框架，PU/PDMS纤维膜作为软壳，提出的具有可拉伸性、自粘附性和导电稳定性的皮肤上螺旋互连制备表皮电子传感器（图1b）。与提灯的内部骨架和覆盖薄层之间的粘合模式一样，螺旋形金属纤维和底部薄膜通过PDMS粘合在一起，以产生坚固的结构（图1b中的插图）。图1e中的SEM图像显示，电纺PU纤维之间的间隙被PDMS填充以形成平坦的膜，这为各种表皮电子传感器的植入提供了灵活的平台。因此，获得的OSHI保持薄膜的形态，并具有由螺旋金属纤维构成的可拉伸导电通道。

机械性能和表面粘附性能

本文选择直径为50µm的铜纤维（因为它普通、廉价且具有合适的抗拉强度）作为内螺旋金属纤维来研究OSHI的机械性能。如图2a所示，决定螺旋铜纤维结构的参数是线圈直径（D）、导线直径（D）和节距宽度（L）。主要焦点是螺旋铜纤维的嵌入是否会影响电纺PU纤维的柔软度电影。结果（图2b）表明，PU/PDMS膜和OSHI膜在第一次拉伸循环期间比PU纤维膜具有更好的柔软性，并且三种膜的拉伸应力在多次循环后趋于一致。此外，在60%应变的拉伸试验中（图2c），具有不同结构参数的OSHI样品也显示出相似的应力-时间曲线。因此，OSHI具有与PU纤维膜相同的柔软度，这是对佩戴者产生难以察觉的粘附力的基础。OSHI的薄结构（≈8µm）和良好的粘附性使其能够准确贴合经历大拉伸变形的皮肤，如食指中的皮肤。与2D蛇形结构相比，螺旋设计的优点还体现在其对褶皱的人类皮肤表面的良好顺应性。佩戴2小时后，具有螺旋状铜纤维的OSHI仍然紧密地粘附在手腕皮肤上（图2f，左上），而具有蛇形铜纤维的膜已经显著地从褶皱皮肤上分离（图2f，左下），这源于它们不同的几何特征。

OSHI应变传感器识别五指运动

OSHI为构建互连和传感器集成器件提供了一个特殊的平台，克服了柔性薄膜传感器和信号传输线之间的机械性能不匹配问题。作者报告了一种可扩展的制备方法，以实现一体式传感器互连应变测量装置。可扩展性意味着这种制备方法不仅可用于应变传感器装置，还可用于集成多种其他表皮传感器装置（详见第2.4节）。以水基碳纳米管导电涂层作为示例，通过滴涂形成应变传感器膜（图3a iii）。最后，通过用PDMS浸涂薄膜，实现了一个一体式应变传感器（图3）。由于传感器和信号输出线都是基于OSHI构建的，因此一体式设备不需要额外的材料来连接传感器和信号输入线，这带来了两个关键优势：（1）信号输出线应变对传感器响应的影响大大减弱，因此可以充分发挥传感器的原始性能。（2）可以有效地缓解机械性能不匹配引起的传感器和互连边缘的应力集中，避免表皮电子传感器开裂。

作为基于OSHI的一体式应变传感器良好应用性能的证明，作者构建了一个无线腕带系统，该系统只有一个一体式应变感应器，可以检测五个手指的动作。电子设备的模块化设计提供手指运动无线监测的系统如图3b所示。图3b中的系统显示，传感器部分粘附在中指关节上，而信号输出OSHI穿过手背并连接到手腕处的处理电路。因为传感器和信号输出线都是基于OSHI的，所以它们的柔软度和轻盈度能够实现不显眼和自然的手势监控。此外，由于基于OSHI的信号传输线的缓冲作用，由腕带和皮肤之间的相对运动引起的干扰几乎不会传递到传感器部分。尽管腕带系统只有一个应变传感器，但由于OSHI的传导稳定性和缓冲作用，它可以通过中掌指关节的皮肤应变准确识别五个手指的敲击动作。即使在没有特殊特征提取的情况下，如上所示，由五个手指运动引起的不同波形的特征也很容易通过观察来识别。因此，结合机器学习算法，它在构建更简洁、高效和可解释的人机交互系统方面具有巨大潜力。并且OSHI的一体式应变传感器还具有较好额抗运动伪影能力。

基于OSHI的动态12导联心电图（ECG）系统

利用自粘、柔性和传感器可植入的OSHI，作者开发了一种具有电极和导线集成的可穿戴12导联心电图系统已被证明可用于动态抗运动伪影心电图监测。图4a提供了ECG系统的逐层图示。根据12导联心电图的电极位置，将集成膜贴片的形状设计为“蜘蛛形”。如图4b所示，采用一体化设计，没有专业知识的用户可以轻松准确地粘贴所有电极。图4c给出了系统记录的八个信道信号，所有信道都有清晰的PQRST波。更重要的是不同通道波的独特特征，如通道I中的最高S波和通道III中的向下T波，在记录的信号中很明显。与单导联心电图相比，它们为健康监测和医疗诊断提供了更准确和丰富的细节。为了进一步了解电极和引线集成膜路径系统的抗运动伪影能力，我们测量了电极皮肤阻抗随时间的变化。粘附状态和电极导电性能决定了电极与皮肤之间的阻抗，因此电极-皮肤阻抗的变化反映了电极的粘附性能和电稳定性。在开始佩戴时，凝胶电极与皮肤的阻抗较小，这说明凝胶电极的导电能力更好。随着佩戴时间的增加，凝胶电极与皮肤之间低于500Hz的阻抗迅速增加，而集成电极引线贴片的阻抗仅略微升高。这种现象主要是由于凝胶电极上的引线的拖曳而导致凝胶电极和皮肤之间的粘附力减弱。

此外表明OSHI也与生物电信号监测兼容。更重要的是，在优化信号质量的同时，基于OSHI的电极导线集成结构将动态12导联ECG系统的佩戴舒适度提高到与单导联系统相同的水平（如创可贴）。注意，对于该原型系统，尽管作者使用FPCB在12导联ECG系统中制作处理电路板，但与OSHI和电极相比，电路宽度相对较硬且较大。目前，作者使用医用胶带将FPCB固定在用户的胸部，以避免在动态心电图记录测试期间FPCB脱落。未来的工作将集中于使用OSHI作为处理电路的柔性和可拉伸互连，以取代不可拉伸和笨重的FPCB。

总结：本工作为表皮电子传感器提供了一种自粘性、稳定的互连，解决了表皮电子传感器和基于芯片的处理电路的连接困难，有望促进表皮电子在人机界面和健康监测中的实用性。

来源：高分子科学前沿

转自：“i学术i科研”微信公众号

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