Nano Energy：应用于人体运动连续监测的“三电极”传感器

实时并准确监测人体运动时的肢体动作，对提高个体的训练水平以及紧急状况下的预警是十分需要的。目前，可穿戴智能健康监测设备的研究趋于更高的舒适性，更好的实时实地性以及更久的使用寿命。但是，多维度、多物理机制集成的传感体系的开发还处于萌芽阶段，并且针对小尺度的动作以及微弱的生理信号的检测还亟待开展。

图1. 器件的制备工艺及结构原理示意图

近日，北京大学张海霞教授研究团队旨在提高信号采集的丰富度和精确度，提出了一种“三电极”构型的贴肤式传感器，集成了静电式非接触传感和阻变式面内两个维度的传感。首先（如图1所示），利用中间的多孔CNT-PDMS块并优化工艺参数，兼并了接近式反馈和面内挤压感知；其次，下层左右两个图形化Ag NWs电极，在中间块的连接下又可以作为高灵敏的拉伸应变传感。此外，整体的封装和区域化杨氏模量设计，又减小了外界因素的干扰和信号之间的串扰。该工作发表于Nano Energy，张海霞教授博士生王浩彬为论文第一作者。

对于接近反馈模块（图2）：在运动过程中，物体表面经摩擦起电带上电荷，由于静电感应，在CNT-PDMS块表面形成感应电势。随着物体的靠近/远离，感应电势发生变化，从而在3rd电极上检测到感应电流，电流的正负极性反过来可以反映物体的运动趋势。控制电荷量、接近频率、接近距离为单变量，则可以根据输出峰值对其值进行估计。

 图2. （非接触）接近反馈模块

         压缩传感模块中（图3）：多孔效应对于降低结构的杨氏模量，提高器件的传感灵敏度

图3. 面内压缩传感模块

是有利的。但是，灵敏度和检测范围这对矛盾，对于传感器性能提升必须权衡；中间块的在拉伸过程中的稳定性对器件的可靠性也至关重要。因此，本工作最后调节压阻块的厚度、多孔的直径及分布、CNT的比例使得器件在这两方面均表现优异，器件的小压缩范围灵敏度为 -177.21 kPa^-1，检测极限达0.18 Pa。此外，压阻块外层的封装对于上下结构层的稳定接触和避免湿气干扰都不可或缺。

        拉伸感知模块（图4）：利用Ag NWs在拉伸应变时的裂缝增殖现象，并且结合折线串联效应，器件对于横向拉伸极其敏感（最小检测应变为0.077 %，响应时间在ms量级）。与器件受到纵向挤压（多孔坍塌，电阻减小）不同，横向拉伸使Ag NWs网络断裂，导致电阻增加。两者反映到1st和2nd两个电极之间的电阻变化趋势正好相反，基于此可以反推器件所受的应变方向。Ag NWs的初始加工厚度对器件的灵敏度和机械拉伸性能影响很大，最后我们选取的Ag NWs喷涂的初始电阻在几千欧量级。

图4. 面内拉伸感知模块

上述三个模块相互协调，最终器件应用于人体相近动作的精确区分以及连续动作的分时区分，具体可应用在拳击训练记录、投篮手势纠正、起跑反应监测等情景（图5）。这为快速发展的便携式电子设备设计提供了新思路。

图5. 不同人体应用场景及相应采集信号

张海霞教授课题组网站：

http://scholar.pku.edu.cn/alice

文章信息：

Haobin Wang, Yu Song, Hang Guo, Ji Wan, Liming Miao, Chen Xu, Zhongyang Ren, Xuexian Chen and Haixia Zhang. A three-electrode multi-module sensor for accurate bodily-kinesthetic monitoring. Nano Energy, 2019.

URL:

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104316