南航Nano Energy：柔性可穿戴呼吸监测传感器

2023-06-28 03:06

海归学者发起的公益学术平台

分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月

随着现代化进程和大数据时代的发展，电子器件愈发成为不可或缺的信息获取工具。柔性电子器件能够在复杂和可变形表面上实现准确测量，且具有低成本、轻量化等特点，克服了传统刚性电子器件的局限性。这些优势使得柔性电子器件在飞行器结构健康监测、人体运动检测、可穿戴健康监测等多领域中表现出色。

诸多可穿电子器件已被开发出来用于收集人体生理信号，在疾病预测和诊断过程中提供了有用信息。其中，肺部作为人体重要的器官，其状况可以通过呼吸参数所体现，用于呼吸监测的传感器具有重要应用意义，所获取的信息可以为个人和公共健康提供有价值的指导意见。尽管先前报道的方案可以实时监测呼吸频率，但此类传感器所需的多模态传感和对动态呼吸过程连续、长时间的监测能力，到目前为止还不成熟。

针对上述问题，南京航空航天大学李伟伟教授团队、杨浩教授团队与英国格拉斯哥大学Qingshen Jing助理教授，采用钙钛矿锰氧化物La_0.7Sr_0.3MnO₃和氟金云母（Mica）衬底制备了一种柔性可穿戴呼吸监测传感器，其对温度变化具有多态响应且具有优异的机械弯曲鲁棒性。在设计的两种应用场景（如图1所示）中监测人的呼吸状态，实验结果表明此柔性La_0.7Sr_0.3MnO₃/Mica传感器在对呼吸的连续和长时间监测中表现出超强的稳定性和多模态能力。相关研究成果以“Face mask integrated with flexible and wearable manganite oxide respiration sensor”为题发表在Nano Energy上。

图1. 呼吸监测系统的实施路线图

在这项工作中，合作团队设计了一种柔性锰氧化物呼吸传感器，并将其置于两种不同的应用场景（临床监测模式和日常监测模式）中进行系统的测试，结果表明该系统能够实时、连续、长时间地对动态呼吸过程进行监测，并对不同测试者在不同运动状态下的呼吸数据进行了详细分析与讨论（如图2所示）。

图2. 不同测试者在不同运动状态下的呼吸波形与统计分析

此外，有限元模拟结果证明了La_0.7Sr_0.3MnO₃中的热扩散是柔性La_0.7Sr_0.3MnO₃/Mica传感器电阻变化的原因，且模拟和实验结果均表明柔性La_0.7Sr_0.3MnO₃/Mica传感器在不同呼吸状态下工作时具有良好的分辨能力（如图3所示）。本工作为设计新型柔性和可穿戴电子器件开辟了一条道路。

图3. 柔性呼吸传感器的热扩散机制与多模态工作能力

高质量的柔性无机外延La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜作为可穿戴呼吸传感器，在临床和日常监测中具有重要的应用意义。在两种应用场景的测试中，证明了柔性La_0.7Sr_0.3MnO₃/Mica传感器在监测呼吸中的可行性。检测到的呼吸信号可以在手机或电脑上实时获取和查看。该传感系统在连续、长时间监测动态呼吸中表现出出色的稳定性和多模态能力。对来自不同测试者、不同运动情况的呼吸参数进一步分析和讨论，揭示了其呼吸模式的差异。此外，在有限元模拟的支持下，我们确定La_0.7Sr_0.3MnO₃在呼吸气流影响下的温度场分布是引起柔性La_0.7Sr_0.3MnO₃/Mica传感器在测量人类呼吸时电阻变化的原因。更重要的是模拟和实验结果都表明柔性La_0.7Sr_0.3MnO₃/Mica传感器对不同的呼吸模式具有良好的分辨能力。我们的工作为设计灵活和可穿戴的人类呼吸传感器提供了一个新的途径。

南京航空航天大学博士生叶链旭为论文第一作者，南京航空航天大学李伟伟教授、杨浩教授与英国格拉斯哥大学Qingshen Jing助理教授为论文的共同通讯作者。该项研究工作得到了苏州科技大学赵润副教授、苏州大学汤如俊教授、南京航空航天大学邱雷教授、美国普渡大学Haiyan Wang教授和英国剑桥大学Judith L. MacManus-Driscoll院士支持。该研究成果得到了国家高层次青年人才基金、国家自然科学基金、江苏特聘教授、江苏省自然基金、南京航空航天大学人才基金等项目的资助。