Fortschrittlicher Flüssigmetall-Wearable-Drucksensor für präzises Gesundheitsmonitoring

Weiche Drucksensoren haben in einer Vielzahl von Bereichen einschließlich Soft Robotics, elektronischer Haut und tragbarer Elektronik erhebliche Forschungsaufmerksamkeit erhalten. Forscher haben einen hochempfindlichen tragbaren Drucksensor entwickelt, der fähig ist, sensible, präzise und kontinuierliche Messung physiologischer und physikalischer Signale durchzuführen und großes Potenzial für Gesundheitsmonitoring-Anwendungen und die Früherkennung von Krankheiten zeigt.

Ein weicher Drucksensor muss hohe Compliance, hohe Empfindlichkeit, niedrige Kosten, langfristige Leistungsstabilität und Umweltstabilität aufweisen, um für kontinuierliches Gesundheitsmonitoring eingesetzt zu werden. Konventionelle festkörperbasierte weiche Drucksensoren, die Funktionsmaterialien einschließlich Kohlenstoffnanoröhren und Graphen verwenden, haben große Sensorleistung gezeigt; jedoch leiden diese Sensoren unter begrenzter Dehnbarkeit, Signalabdrift und langfristiger Instabilität aufgrund des Abstands zwischen dem dehnbaren Substrat und den Funktionsmaterialien.

Um diese Probleme zu überwinden, wurden flüssigzustandsbasierte Elektronik mit Flüssigmetall für verschiedene tragbare Anwendungen eingeführt. Von diesen Materialien hat Galinstan – eine eutektische Metalllegierung aus Gallium, Indium und Zinn – großartige mechanische und elektrische Eigenschaften, die in tragbaren Anwendungen eingesetzt werden können. Aber die heutigen flüssigmetallbasierten Drucksensoren haben eine niedrige Druckempfindlichkeit, was ihre Anwendbarkeit für Gesundheitsmonitoring-Geräte einschränkt.

Die Forscher entwickelten einen 3D-gedruckten, starren Mikrohügel-Array-integrierten, flüssigmetallbasierten weichen Drucksensor. Mit Hilfe von 3D-Druck konnte die Integration eines starren Mikrohügel-Arrays und der Masterform für einen Flüssigmetall-Mikrokanal gleichzeitig erreicht werden, was die Komplexität des Herstellungsprozesses reduziert. Durch die Integration des starren Mikrohügels und des Mikrokanals hat der neue Drucksensor eine extrem niedrige Nachweisgrenze und eine verbesserte Druckempfindlichkeit im Vergleich zu zuvor berichteten flüssigmetallbasierten Drucksensoren. Der vorgeschlagene Sensor hat auch eine vernachlässigbare Signalabdrift über 10.000 Zyklen von Druck, Biegen und Dehnen und zeigte hervorragende Stabilität, wenn er verschiedenen Umweltbedingungen ausgesetzt war.

Diese Leistungsergebnisse machen ihn zu einem hervorragenden Sensor für verschiedene Gesundheitsmonitoring-Geräte. Zuerst demonstrierte das Forschungsteam ein tragbares Armbandgerät, das den Puls während des Trainings kontinuierlich überwachen kann und in einem nicht-invasiven, manschettenfreien Blutdruck-Monitoring-System basierend auf PTT-Berechnungen eingesetzt werden kann. Dann führten sie ein drahtloses, tragbares Fersendruck-Monitoring-System ein, das drei 3D-BLiPS mit einem drahtlosen Kommunikationsmodul integriert.