用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器及其制备方法

1.本发明涉及柔性传感器领域，更具体地说，涉及一种用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.人体喉部疾病和部分身体疾病通常会使喉咙部分产生炎症，不同的疾病导致的咽喉炎症特征不同，因此人体在处于不同咽喉炎症情况下发声时喉部肌群的振动信号也随之不同。当前可穿戴电子设备领域中，已有研究者设计出检测人体喉部肌群振动的柔性传感器，但是由于传感器材料的局限性，导致柔性传感器传感性能不强。例如碳基材料和金属基材料，两种材料具有高导热性，使得柔性传感器实际应用过程中易受到环境温度与人体温度的干扰，从而降低了数据的准确性。因此，如何在提高柔性传感器的传感性能的同时降低温度对其的影响，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器及其制备方法，可以提高传感器检测人体喉部肌群产生的振动信号时的灵敏度以及对温度因素的抗干扰能力。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器，包括外壳和设置在外壳内部的敏感元件，所述敏感元件的边缘与外壳连接，所述敏感元件的中部以悬浮状位于外壳之中，所述敏感元件包括柔性基底和压力敏感层，所述压力敏感层和位于其顶部和底部的柔性基底组成三明治式扁平层状结构，压力敏感层为聚苯胺pva、聚乙烯pani醇和mxene三种材料通过静电纺丝工艺制备而成的纳米纤维致密导电网络，柔性基底为多孔pdms弹性薄膜柔性基底。mxene为二维碳化物或氮化物，pdms为聚二甲基硅氧烷。
5.按上述方案，pva、pani和mxene三种材料的质量比为：
6.pva：pani：mxene＝7:0.05:0.035～20:0.08:1。
7.按上述方案，所述纳米纤维致密网络为一维纳米复合纤维(pva、pani、mxene)多层交错堆叠而成，厚度为80～100μm且厚度均匀，平面度公差为5μm。
8.按上述方案，所述柔性基底厚度不超过0.5mm，孔隙率不低于20％，压力敏感层与柔性基底进行微加热熔融紧密贴合。
9.按上述方案，所述外壳为采用聚碳酸酯即pc材料制作的柔性封装外壳。
10.本发明还提供了一种所述的用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
11.s1、制备压力敏感层：将纳米纤维致密网络根据实际应用需要进行剪切，等得到具有规整形状的压力敏感层；
12.s2、制备多孔pdms弹性薄膜柔性基底：将pdms本体和固体按照约10:1混合后进行
10000rpm/s～12000rpm/s转速下磁力搅拌0.1h～0.2h得到混合液，将混合液倒入模具盖上铝板后静置，完成后放入烘箱约120℃加热固化得多孔pdms弹性薄膜柔性基底；
13.s3、制备敏感元件，形成基底-敏感层-基底的三明治式扁平层状结构；
14.s4、封装传感器，敏感元件仅边缘两端与外壳连接，其余部分以悬浮状位于外壳之中。
15.按上述方案，在所述步骤s1中，制备纳米纤维致密网络的方法包括如下步骤：
16.s11、配制pva溶液：将pva粉末和去离子水按照10％～20％质量配比进行混合，在30℃～60℃温度条件下200rpm/min～400rpm/min磁力搅拌4h～6h形成pva溶液；
17.s12、配制pani掺杂溶液：将pani翠绿碱粉末和hcl溶液按照设1:2～1:3的摩尔比混合，在25℃～35℃温度条件下超声分散后形成pani掺杂溶液；
18.s13、将得到的pani溶液离心后调节ph值约为7，并通过真空过滤的方式固液分离，将底部沉淀以真空干燥的方式在设定温度下干燥脱除溶剂，得到pani滤饼；
19.s14、配制pani溶液：将得到的pani滤饼研磨完全，取pani粉末和n-甲基吡咯烷酮(nmp)按照5％～10％的质量比进行混合；在40℃～60℃温度条件下200rpm/min～400rpm/min磁力搅拌8h～12h，形成pani溶液；
20.s15、配制导电材料混合液：将称量好的mxene粉末按照50～80mg/ml浓度比加入到pani溶液中，超声分散后得到导电材料混合溶液；
21.s16、配制静电纺丝溶液：将pva溶液和导电材料混合液按照约10:1的体积比进行混合，在25℃～35℃温度条件下200rpm/min～400rpm/min磁力搅拌1h～2h后得到稳定的静电纺丝液；
22.s17、将上述静电纺丝液进行静电纺丝，制备纳米纤维致密导电网络。
23.本发明用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器的工作原理如下：
24.喉部肌群产生振动时会对传感器敏感元件产生压力，压力会使压力敏感层内部的纳米纤维致密网络中的纤维延伸或者压缩，从而使得构成传感器的高分子聚合物纳米纤维致密导电网络的电阻发生变化。因此可以通过分析电学特征间接分析出喉部肌群振动的特征，进而通过振动特征分析人体喉部生理状态，为人体部分疾病的产生做出定量的检测与评估。
25.实施本发明的用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器设计及其制备方法，具有以下有益效果：
26.1、所制备的纳米纤维致密导电网络由一维纳米复合纤维(pva、pani、mxene)多层交错堆叠而成，厚度为80～100μm且单根纤维直径为50～150nm。利用静电纺丝工艺，实现pani和mxene分散于复合纳米纤维内、外部，进而对pva改性，使其具备较强的导电能力。其中，复合纳米纤维中的mxene在提升pva本质延展特性的同时，由于其导电性能对温度不敏感，变化率在25℃～60℃范围内小于0.1％/℃，使得纳米纤维致密导电网络在一定温度范围内具备稳定的电学特性且不易受热噪声影响。
27.2、本发明的悬浮式敏感元件采用典型三明治结构，即pdms薄膜/压力敏感层/pdms薄膜。此种结构一方面充分利用柔性基底的延展性，能够有效地降低发声时人体喉部肌群产生的振动在传递给压力敏感层过程中的损耗。另一方面，采用的悬浮式封装结构相比较与正常传感器的紧贴式结构，其特点是能够有效避免传感器柔性封装外壳与敏感元件的接
触，提高敏感元件受到人体喉部肌群产生的振动时的振动幅度。因此，通过采用上述敏感元件设计方法与悬浮式封装结构，能够最大程度上提高柔性传感器的灵敏度。
28.3、本发明在实际应用中能够紧密地贴合人体喉部肌群皮肤，其pc柔性封装外壳与所设计的悬浮式结构能够有效的避免非振动因素对传感器造成的影响，从而提高传感器的稳定性。当人体喉部肌群振动时，pc柔性封装外壳感受振动带来的压力，使内部敏感元件弯曲形变，形变传递到压力敏感层内部的纳米纤维致密网络中使内部纤维延伸或者压缩，进而改变使敏感元件的电阻产生变化。因此通过可穿戴设备所反馈出的电学特性例如：电阻、电压，间接的反映出人体喉部肌群的振动情况。
附图说明
29.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
30.图1是用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器的结构示意图；
31.图2是实施例1纳米纤维电镜图；
32.图3是实施例1纳米纤维致密导电网络电镜图；
33.图4是实施例2纳米纤维电镜图；
34.图5是实施例2纳米纤维致密导电网络电镜图；
35.图6是对比例1光学显微镜图。
具体实施方式
36.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
37.如图1所示，本发明用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器，包括外壳1和设置在外壳1内部的敏感元件2。
38.敏感元件2的边缘与外壳1连接，敏感元件2的中部以悬浮状位于外壳之1中，敏感元件2包括柔性基底和压力敏感层，压力敏感层和位于其顶部和底部的柔性基底组成三明治式扁平层状结构，压力敏感层由pva、pani和mxene三种材料通过静电纺丝工艺制备而成的纳米纤维致密导电网络，柔性基底为多孔聚二甲基硅氧烷(pdms)制成的弹性薄膜。
39.pva、pani和mxene三种材料的质量比为：pva：pani：mxene＝7:0.05:0.035～20:0.08:1。pva比例约为0.5％～5％，pva浓度约为7％～20％，分子量为67000，mxene浓度约为50mg/ml～80mg/ml。
40.本实施例利用单针静电纺丝工艺，纺出的纳米纤维单线光滑均匀，直径为50-150nm；纳米纤维致密导电网络为一维纳米纤维多层交错堆叠而成，厚度为80-100μm且厚度均匀，平面度公差为5μm。
41.多孔pdms弹性薄膜基底厚度不超过0.5mm，孔隙率不低于20％，压力敏感层与柔性基底进行微加热熔融紧密贴合。
42.优选的，外壳1为采用pc材料制作的柔性封装外壳。
43.本实施例的悬浮式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
44.步骤1：将制备的纳米纤维致密导电网络沿纳米纤维致密网络取向方向或者垂直方向进行剪切，制备矩形规整结构(优选尺寸为30mm
×
20mm)的压力敏感层。
45.步骤2：将pdms本体与固化剂按照10:1的比例混合均匀，加入去离子水。在11000rpm/min转速下磁力搅拌搅拌0.1h，完成后将混合物放入真空干燥箱中抽真空2h去除气泡，进一步将混合液倒入模具并盖上铝板用夹具固定竖直放置0.5h。在烘箱内放置密闭容器，将样品与等离子水放置在密闭容器中120℃条件下进行加热固化置样品3h。在制备过程中，可以通过调整水与pdms的比例来得到不同孔隙率的多孔pdms样品。
46.步骤3：将多孔pdms弹性薄膜柔性基底与压力敏感层微加热熔融紧密贴合，制成基底-敏感层-基底的三明治式扁平层状结构，得到初级传感器。
47.步骤4：将初级传感器边缘两端与外壳连接，其余部分呈悬浮状位于外壳中，进行封装，得到悬浮式柔性传感器。
48.上述敏感元件中的压力敏感层由pva、pani和mxene三种材料混合制成，将通过下面两个实施案例以及对比例进行说明纳米纤维致密网络的制备工艺。
49.实施例1
50.通过静电纺丝技术制备出纳米纤维致密导电网络的方法包括：
51.步骤1：称量分子量为67000的pva粉末加入到去离子水中，60℃条件下300rpm/min磁力搅拌6h，得到分散均匀的20％wt的pva溶液。将其放置在室温下，直至完全脱泡。
52.步骤2：将pani翠绿碱粉末和hcl按照摩尔比1:2的比例进行配制溶液，常温下进行超声分散0.5h,300rpm/min磁力搅拌2h，此时悬浮液成黑棕色。完成后在常温下静置沉淀12h得到pani掺杂溶液。
53.步骤3：将上述掺杂溶液使用无水乙醇进行离心去除未反应物，使用去离子水洗涤溶液至溶液ph值约为7。进一步使用真空过滤方式分离出墨绿色沉淀，并以真空干燥的方式在75℃条件下脱除溶剂得到pnai滤饼。
54.步骤4：将得到的pani滤饼研磨至粉末状，称量滤粉和n-甲基吡咯烷酮nmp进行混合制成10％wt的pani混合溶液，进一步在50℃条件下磁力搅拌10h后静置在室温下，直至完全脱泡。
55.步骤5：将称量好的质量分数为1％的mxene粉末按照80mg/ml的浓度比溶于聚苯胺pani混合溶液中，常温下超声分散0.5h，50℃条件下300rpm/min磁力搅拌1h后制成高分子材料混合液。静置在室温下，使溶液完全脱泡。
56.步骤6：将pva溶液和pani溶液按照10:1的体积比进行混合，25℃条件下300rpm/min磁力搅拌1h后得到静电纺丝液，静置在室温下，直至完全脱泡。
57.步骤7：将上述静电纺丝液进行静电纺丝，纺丝工艺条件为：静电纺丝电压为13kv，纺丝速度为0.15ml/h，静电纺丝的接收距离为7cm，通过控制接收时间来控制制备的纳米纤维致密导电网络的厚度。将静电纺丝结束后获得的纳米纤维致密导电网络置于通风处干燥。
58.图2为通过上述步骤产生的纳米纤维扫描电镜图，图3为纳米纤维形成的纳米纤维致密导电网络电镜图。
59.实施例2
60.本实施例为通过静电纺丝技术制备出纳米纤维致密网络的方法。与实施例1的差异在于：
61.pva的分子量为67000，浓度为10％wt。
62.图4为通过上述步骤产生的纳米纤维扫描电镜图，可以看到相较于图2，纤维的直径更细，图5为纳米纤维形成的纳米纤维致密导电网络电镜图。
63.对比例1
64.本对比例为一种通过静电纺丝技术制备出纳米纤维致密网络。与实施例1的差异在于：
65.pva的分子量为67000，浓度为5％wt。
66.图6为使用上述差异浓度静电纺丝后的光学显微镜图像。从图像中可以观察出没有实质纤维，而是以水滴的形式呈线状分布。
67.对比例2
68.本对比例为一种通过静电纺丝技术制备出纳米纤维致密网络。与实施例1的差异在于：
69.pva的分子量为67000，浓度为22wt％。
70.对比例3
71.本对比例为一种通过静电纺丝技术制备出纳米纤维致密网络。与实施例1的差异在于：
72.pva的分子量为67000，浓度为50wt％。
73.使用上述悬浮式压力传感器实现的喉部肌群振动检测方法：正常成年人体发出的平声振动为80hz～260hz,实验过程时，通过音频信号发生器及其外部输出设备进行振动产生与输出。在无窗密闭环境下，将外部输出设备与传感器连接，振动信号经过传感器转换、放大、a/d转换之后，进入信号处理器进行计算，从而得到喉部肌群振动的振动幅度。实施例1、实施例2和对比例制作出的传感器其灵敏度如表1所示：
74.表1传感器灵敏度
[0075][0076]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器，包括外壳和设置在外壳内部的敏感元件，其特征在于，所述敏感元件的边缘与外壳连接，所述敏感元件的中部以悬浮状位于外壳之中，所述敏感元件包括柔性基底和压力敏感层，所述压力敏感层和位于其顶部和底部的柔性基底组成三明治式扁平层状结构，压力敏感层由聚乙烯醇、聚苯胺和mxene三种材料通过静电纺丝工艺制备而成的纳米纤维致密导电网络，柔性基底为多孔pdms弹性薄膜柔性基底。2.根据权利要求1所述的用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器，其特征在于，聚乙烯醇、聚苯胺和mxene三种材料的质量比为：聚乙烯醇：聚苯胺：mxene＝7:0.05:0.035～20:0.08:1。3.根据权利要求1所述的用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器，其特征在于，所述纳米纤维致密导电网络为纳米纤维多层交错堆叠而成，厚度为80～100μm且厚度均匀，平面度公差为5μm。4.根据权利要求1所述的用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器，其特征在于，所述柔性基底厚度不超过0.5mm，孔隙率不低于20％，压力敏感层与柔性基底进行微加热熔融紧密贴合。5.根据权利要求1所述的用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器，其特征在于，所述外壳为采用聚碳酸酯制作的柔性封装外壳。6.一种权利要求1所述的用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、制备压力敏感层：将纳米纤维致密网络根据实际应用需要进行剪切，等得到具有规整形状的压力敏感层；s2、制备多孔pdms弹性薄膜柔性基底：将pdms本体和固体按照约10:1混合后进行10000rpm/s～12000rpm/s转速下磁力搅拌0.1h～0.2h得到混合液，将混合液倒入模具盖上铝板后静置，完成后放入烘箱约120℃加热固化得多孔pdms弹性薄膜柔性基底；s3、制备敏感元件，形成基底-敏感层-基底的三明治式扁平层状结构；s4、封装传感器，敏感元件仅边缘两端与外壳连接，其余部分以悬浮状位于外壳之中。7.根据权利要求6所述的用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器的制备方法，其特征在于，在所述步骤s1中，制备纳米纤维致密网络的方法包括如下步骤：s11、配制聚乙烯醇溶液：将聚乙烯醇粉末和去离子水按照10％～20％质量配比进行混合，在30℃～60℃温度条件下200rpm/min～400rpm/min磁力搅拌4h～6h形成pva溶液；s12、配制聚苯胺掺杂溶液：将聚苯胺翠绿碱粉末和盐酸溶液按照1:2～1:3的摩尔比混合，在25℃～35℃温度条件下超声分散后形成聚苯胺掺杂溶液；s13、将得到的聚苯胺溶液离心后调节ph值约为7，并通过真空过滤的方式固液分离，将底部沉淀以真空干燥的方式在设定温度下干燥脱除溶剂，得到聚苯胺滤饼；s14、配制聚苯胺溶液：将得到的聚苯胺滤饼研磨完全，取pani粉末和n-甲基吡咯烷酮按照5％～10％的质量比进行混合；在40℃～60℃温度条件下200rpm/min～400rpm/min磁力搅拌8h～12h，形成聚苯胺溶液；s15、配制导电材料混合液：将称量好的mxene粉末按照50～80mg/ml浓度比加入到聚苯胺溶液中，超声分散后得到导电材料混合溶液；
s16、配制静电纺丝溶液：将聚乙烯醇溶液和导电材料混合液按照约10:1的体积比进行混合，在25℃～35℃温度条件下200rpm/min～400rpm/min磁力搅拌1h～2h后得到稳定的静电纺丝液；s17、将上述静电纺丝液进行静电纺丝，制备纳米纤维致密网络。

技术总结
本发明涉及一种用于喉部肌群振动检测的悬浮式压力传感器及其制备方法，悬浮式压力传感器包括外壳和设置在外壳内部的敏感元件，敏感元件的边缘与外壳连接，敏感元件的中部以悬浮状位于外壳之中，所述敏感元件包括柔性基底和压力敏感层，所述压力敏感层和位于其顶部和底部的柔性基底组成三明治式扁平层状结构，压力敏感层为聚乙烯醇、聚苯胺和MXene三种材料通过静电纺丝工艺制备而成的纳米纤维致密导电网络，柔性基底为多孔PDMS弹性薄膜柔性基底。本发明可以提高传感器对人体喉部肌群微小振动信号检测的灵敏度以及对温度因素的抗干扰能力，可用于人体喉部肌群振动检测，通过对人体喉部肌群振动信息接收处理，反映喉部生理健康状态。健康状态。健康状态。


技术研发人员：李雪竹 段忠杰 杜荣 王博一
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/11