一种全纤维的柔性心音传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种全纤维的柔性心音传感器及其制备方法。柔性心音传感器包括压电层和电极层，压电层为掺杂有钛酸钡纳米颗粒的P(VDF

【技术实现步骤摘要】
一种全纤维的柔性心音传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及心音传感器
，尤其涉及一种全纤维的柔性心音传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]心音是一种非常重要的人体生理信号，它是心脏及心血管系统机械运动和综合状况的反映。当前以压电极化为原理的心音传感器在检测微弱信号时，灵敏度不够，且电极多数采用纺丝纤维溅射金属的工艺来制备，这种溅射金属的电极在拉伸过程中具有很低的阻抗稳定性，通常在10％的拉伸下即可出现400％
‑
500％的电阻增加。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0004]为此，本专利技术的实施例提出一种全纤维的柔性心音传感器及其制备方法。
[0005]一方面，本专利技术提出了一种全纤维的柔性心音传感器，包括：
[0006]压电层，所述压电层为掺杂有钛酸钡纳米颗粒的P(VDF
‑
TrFE)静电纺丝纤维；
[0007]电极层，所述电极层为聚氨酯与石墨烯浆料和银纳米线混合静电纺丝的导电纤维层，所述电极层包括分别设置在所述压电层上下两侧的上电极层和下电极层，所述上电极层和所述下电极层分别连接上电极导线和下电极导线，在受到外部应力时，所述电极层将应力传递给所述压电层，所述压电层内部极化，在表面感应出相反电荷，并通过所述电极层传导出来形成电势差。
[0008]在一些实施例中，所述上电极层与所述压电层之间以及所述下电极层与所述压电层之间通过热压工艺连接。/>[0009]在一些实施例中，所述下电极层下方设置无纺布层，所述无纺布层与人体直接接触，所述下电极层与所述无纺布层之间设置PET振动膜。
[0010]在一些实施例中，所述压电层的厚度为40
‑
80μm，所述电极层的厚度为8
‑
20μm。
[0011]在一些实施例中，所述压电层中钛酸钡纳米颗粒的质量比为10％～40％。
[0012]另一方面，本专利技术提出了一种全纤维的柔性心音传感器的制备方法，包括压电层的制备方法和电极层的制备方法，
[0013]所述压电层的制备方法包括以下步骤：
[0014]将质量比为10％～21％的P(VDF
‑
TrFE)粉末溶于体积比为1～1：3的DMF和丙酮的混合溶液中，搅拌得到P(VDF
‑
TrFE)溶液；
[0015]将质量比为10％～40％的钛酸钡纳米颗粒加入到所述P(VDF
‑
TrFE)溶液中，搅拌得到待纺丝溶液；
[0016]将待纺丝溶液进行静电纺丝得到压电纤维薄膜，
[0017]所述电极层的制备方法包括以下步骤：
[0018]将质量比为4％～8％的聚氨酯溶于六氟异丙醇中，将溶于乙醇的石墨烯浆料混合
银纳米线搅拌得到导电介质液，所述石墨烯的质量比为0.5％～3％，所述银纳米线的质量比为1～2mg/ml；
[0019]静电纺丝得到聚氨酯基底，然后将聚氨酯与导电介质液混纺，得到电极层。
[0020]在一些实施例中，混纺时，所述聚氨酯的推射速度为0.01～0.04ml/min，所述导电介质液的推射速度为0.15～0.4ml/min。
[0021]在一些实施例中，所述静电纺丝在正压为12～18KV，负压为0～5KV，纺丝时间为20～140min的条件下进行。
[0022]在一些实施例中，制备所述压电层的方法步骤中，搅拌操作为利用磁力搅拌器在搅拌温度为30℃～80℃，搅拌时间为2～10h的条件下进行。
[0023]在一些实施例中，制备所述电极层的方法步骤中，搅拌操作为利用磁力搅拌器在搅拌时间为0.5～3h，搅拌温度为室温的条件下进行。
[0024]相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：
[0025]本专利技术的压电层的压电系数高、β相含量高；电极层具有较好的拉伸稳定性；无纺布层具有较高的生物相容性和透气性，能够防止在测试过程中受到汗液等干扰；PET振动膜能够降低器件整体的弹性系数，增强对心音信号的接收。
[0026]本专利技术的心音传感器为全流程柔性纤维制备，无金属电极参与，具有较高的信噪比和灵敏度，较好地稳定性和透气性，在长期监测中可确保可靠性和舒适性，大幅提升了压电传感器的性能。
附图说明
[0027]本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0028]图1为全纤维柔性心音传感器的整体结构示意图；
[0029]图2为不同钛酸钡纳米颗粒掺杂比例条件下的扫描电镜图；
[0030]图3为不同钛酸钡纳米颗粒掺杂比例条件下的红外吸收光谱图；
[0031]图4为对实施例1制得的压电层进行压电系数测试的结果示意图；
[0032]图5为图4中方框部分的局部放大示意图；
[0033]图6为实施例1制得的电极层在未拉伸和50％拉伸下的形变示意图；
[0034]图7为实施例1制得的电极层的阻抗变化率随拉伸比例的变化示意图；
[0035]图8为91dB下柔性心音传感器的参考输出电压和噪声输出电压；
[0036]图9为图8中方框部分的局部放大图；
[0037]图10为337Hz下心音传感器输出特性曲线和拟合直线；
[0038]图11为柔性心音传感器在第1个工作周期和第5001个工作周期的响应曲线；
[0039]图12为水蒸发测试结果示意图。
具体实施方式
[0040]下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0041]实施例1：
[0042]压电层的制备：
[0043]将P(VDF
‑
TrFE)粉末溶于DMF和丙酮的混合溶液中，其中，DMF和丙酮的体积比4：6，P(VDF
‑
TrFE)的质量比为19％。利用磁力搅拌器在70℃的条件下搅拌溶解3小时形成P(VDF
‑
TrFE)溶液，再将粒径为100nm的钛酸钡纳米颗粒加入到P(VDF
‑
TrFE)溶液中，其中，钛酸钡纳米颗粒的质量比为20％，再经过磁力搅拌器70℃下搅拌3小时得到待纺丝溶液。将溶液置于注射器内，用26号针头在正压15KV，负压2.5KV的条件下进行静电纺丝40分钟，得到均匀稳定的压电纤维薄膜。
[0044]电极层的制备：
[0045]将聚氨酯颗粒溶于六氟异丙醇中，聚氨酯的质量比为4％。将溶于乙醇的石墨烯浆料混合银纳米线在磁力搅拌器上室温下搅拌两小时得到导电介质液，其中，石墨烯和银纳米线的质量比分别为1％和1.5mg/ml。首先在正压18KV，负压2.5KV的条件下静电纺丝30分钟制备聚氨酯基底，之后进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全纤维的柔性心音传感器，其特征在于，包括：压电层，所述压电层为掺杂有钛酸钡纳米颗粒的P(VDF
‑
TrFE)静电纺丝纤维；电极层，所述电极层为聚氨酯与石墨烯浆料和银纳米线混合静电纺丝的导电纤维层，所述电极层包括分别设置在所述压电层上下两侧的上电极层和下电极层，所述上电极层和所述下电极层分别连接上电极导线和下电极导线，在受到外部应力时，所述电极层将应力传递给所述压电层，所述压电层内部极化，在表面感应出相反电荷，并通过所述电极层传导出来形成电势差。2.如权利要求1所述的柔性心音传感器，其特征在于，所述上电极层与所述压电层之间以及所述下电极层与所述压电层之间通过热压工艺连接。3.如权利要求1所述的柔性心音传感器，其特征在于，所述下电极层下方设置无纺布层，所述无纺布层与人体直接接触，所述下电极层与所述无纺布层之间设置PET振动膜。4.如权利要求1所述的柔性心音传感器，其特征在于，所述压电层的厚度为40
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80μm，所述电极层的厚度为8
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20μm。5.如权利要求1所述的柔性心音传感器，其特征在于，所述压电层中钛酸钡纳米颗粒的质量比为10％～40％。6.一种全纤维的柔性心音传感器的制备方法，其特征在于，适用于如权利要求1
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5任一所述的柔性心音传感器，包括压电层的制备方法和电极层的制备方法，所述压电层的制备方法包括以下步骤：将...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍晓明，任天令，胡志荣，李欣，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：