健康监测系统及其制备方法

1.本发明的至少一种实施例涉及一种健康监测系统，尤其涉及一种人体健康监测系统及其制备方法。


背景技术：

2.随着物联网的快速发展，在诸多光子、电子功能器件中，远程人体生理信号的可靠监测系统对于疾病诊断和健康评估至关重要。为此，各种传统的传感设备已被开发用于检测人体生理活动，例如基于红外的光电设备及刚性多电极压力传感器等，但由于这些传感器件其便携性和可穿戴性差，因而在日常监测中的应用受到限制。
3.近年来，柔性电阻式压力传感器由于其简单的器件结构，读取和分析输出电信号的简单性以及低能耗引起了广泛关注，这种传感器不仅能够将人体生理活动转化为可读的电信号，而且在可穿戴医疗保健系统和智能医疗诊断方面具有巨大的应用潜力。对于压阻式传感器而言，通过在组成传感器的柔性薄膜上引入3-d微结构是目前较为有效提高其灵敏度的方式。目前的制备技术或是高度可定制，但昂贵耗时且需要多个步骤的光刻，或是利用天然存在的材料作为模具，低成本且简单，但无法自由定制微结构的加工技术。由此可见，需要开发一种低成本、高效且可定制的技术以用于传感器微结构的制备，从而有效的提升压力传感器的传感性能。此外，选择合适的活性材料同样是制备低成本、高性能压阻传感器的关键。
4.目前关于柔性传感器的研究主要集中在具备单一功能的传感器，如柔性触觉传感器、柔性热觉传感器等，对具备多种功能的传感器研究较少。对于人体健康监测系统，对不同种类的物理信号的多重响应是未来的发展方向，也是当今的研究热点和重点。为此，同时附加温度、湿度多物理量的感知并兼容生物化学检测能力对身体探查具有重要的现实意义。与此同时，对于便携式可穿戴人体生理信号的可靠监测系统的搭建，还需轻巧、高效的电源作为支撑以对该系统进行供电。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种健康监测系统的制备方法，通过在衬底上形成柔性压力传感器、电阻式温度传感器、电容式湿度传感器、生物化学传感器、量子点敏化太阳能电池，可实现不同种类的物理信号的多重响应，即同时具备人体生理信号、温度、湿度以及汗液中的代谢物的检测能力。
6.本发明提供一种健康监测系统的制备方法，包括：
7.提供一衬底；以及
8.在衬底上形成柔性压力传感器、电阻式温度传感器、电容式湿度传感器、生物化学传感器、量子点敏化太阳能电池，形成柔性压力传感器包括：采用飞秒激光多丝加工技术在氮气氛围下烧蚀出具有蜂窝状微结构的第一硅模板；利用第一硅模板，采用倒模工艺处理聚二甲基硅氧烷薄膜，形成具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层，具有蜂窝状微结
构的聚二甲基硅氧烷薄膜层与第一硅模板具有相反的微结构；将具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层转移至第一基底层上；在具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层上形成mxene活性材料层；以及在mxene活性材料层上形成叉指电极层，以输出mxene活性材料层在受压状态下产生的电信号。
9.根据本发明的实施例，在衬底上形成生物化学传感器包括：利用飞秒激光多丝加工技术在第二基底层上形成具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层；采用物理气相沉积法在具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层上沉积金薄膜层；其中，生物化学传感器适用于连续地感测用户汗液中的生理学参数。
10.根据本发明的实施例，金薄膜层的厚度为20nm，沉积速率为0.15nm/s。
11.根据本发明的实施例，利用飞秒激光多丝加工技术在第二基底层上形成具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层包括：采用激光照射硅表面，形成具有多级微纳结构的第二硅模板；利用第二硅模板，采用两次软光刻倒模工艺处理聚二甲基硅氧烷薄膜，形成具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层；其中，激光为百tw/cm2量级，激光的脉冲中心波长为800nm，重复频率为1000hz，脉宽为40fs，激光经过焦距为0.75m的平凸透镜在空气中聚焦。
12.根据本发明的实施例，采用两次软光刻倒模工艺处理聚二甲基硅氧烷薄膜，形成具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层包括：利用第二硅模板，采用第一次软光刻倒模工艺将聚二甲基硅氧烷薄膜制作为具有与第二硅模板相反微结构的第一模板；以及利用第一模板，采用第二次软光刻倒模工艺将聚二甲基硅氧烷薄膜制作为具有与第二硅模板相同微结构的具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层。
13.根据本发明的实施例，量子点敏化太阳能电池包括zns/cdse/cds/黑tio2光阳极和cus对电极；在衬底上形成量子点敏化太阳能电池包括：采用飞秒激光多丝加工技术制备氮掺杂黑tio2，利用氮掺杂黑tio2形成zns/cdse/cds/黑tio2光阳极。
14.根据本发明的实施例，采用飞秒激光多丝加工技术制备氮掺杂黑tio2包括：采用飞秒激光多丝加工技术在氮气环境及尿素溶液环境下辐照tio2悬浮液；其中，飞秒激光的单脉冲能量固定在1.8mj。
15.根据本发明的实施例，采用飞秒激光多丝加工技术制备氮掺杂黑tio2包括：采用飞秒激光多丝加工技术在氮气环境下辐照tio2粉末；其中，飞秒激光的单脉冲能量固定在1.0mj。
16.本发明还提供一种利用上述的制备方法得到的健康监测系统，包括：
17.柔性压力传感器，包括：第一基底层，第一基底层为聚对苯二甲酸乙二醇酯；具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层，位于第一基底层上，适用于感测压力信号；mxene活性材料层，位于具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层上，适用于在受压状态下产生电信号；以及叉指电极层，位于mxene活性材料层上，适用于输出电信号。
18.根据本发明的实施例，柔性压力传感器为压阻式压力传感器。
19.根据本发明的实施例，上述的健康监测系统还包括：电阻式温度传感器，适用于连续地感测用户皮肤的温度信号；电容式湿度传感器，适用于连续地感测用户皮肤的湿度信号；生物化学传感器，适用于连续地感测用户汗液中的生理学参数；量子点敏化太阳能电池，适用于为柔性压力传感器、电阻式温度传感器、电容式湿度传感器、生物化学传感器供
电。
20.根据本发明上述的实施例提供的健康监测系统的制备方法，通过在衬底上形成柔性压力传感器、电阻式温度传感器、电容式湿度传感器、生物化学传感器、量子点敏化太阳能电池，提供一种轻巧、便携式健康监测系统，可实现不同种类的物理信号的多重响应，即同时具备人体生理信号、温度、湿度以及汗液中的代谢物的检测能力，并采用量子点敏化太阳能电池作为健康监测系统的电源。
21.根据本发明上述的实施例提供的健康监测系统的制备方法，通过采用飞秒激光多丝加工技术制备具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层，可以实现低成本、高效、大面积、可定制地制备柔性压力传感器。
22.根据本发明上述的实施例提供的健康监测系统的制备方法，基于百tw/cm2量级高强度激光实现sers基底的制备，工艺简单且制备效率高；基于具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层与金薄膜层形成的等离子体结构，有助于增强局部电磁场，实现较高的sers基底活性，可实现对低浓度的分析物进行高灵敏度无标记检测。
23.根据本发明上述的实施例提供的健康监测系统的制备方法，采用飞秒激光多丝加工技术实现氮掺杂黑tio2的高效制备，解决常规表面无序化制备技术存在的制备效率低、产生污染的问题；基于光丝辐照后氮掺杂黑tio2具有的吸收宽谱范围内太阳能的能力，即在可见光到近红外光谱范围以及微波范围内的吸收明显增强，将其作为量子点敏化太阳能电池的光阳极以大幅度增强量子点敏化太阳能电池的功率转换效率。
附图说明
24.图1为根据本发明实施例的健康监测系统的示意图；
25.图2为根据本发明实施例的制备氮掺杂黑tio2的装置示意图；
26.图3为根据本发明实施例的柔性压力传感器的结构示意图；
27.图4为根据本发明实施例的电容式湿度传感器的结构示意图。
28.【附图标记说明】
29.1-柔性压力传感器；
30.11-第一基底层；
31.12-具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层；
32.13-mxene活性材料层；
33.14-叉指电极层；
34.2-电容式湿度传感器；
35.21-pi湿敏薄膜层；
36.22-go薄膜层；
37.23-多孔网状电极层；
38.24-平板电极层。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为
局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使发明彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
40.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
41.图1为根据本发明实施例的健康监测系统的示意图。
42.本发明提供一种健康监测系统，参考图1所示，包括：在衬底上形成的柔性压力传感器、电阻式温度传感器、电容式湿度传感器、生物化学传感器、量子点敏化太阳能电池，该系统同时具备用户生理信号、用户皮肤温度、用户皮肤湿度以及汗液中的代谢物的检测能力。
43.根据本发明的一种示例性实施例，本发明提供一种健康监测系统的制备方法，包括：
44.提供一衬底；以及在衬底上形成柔性压力传感器、电阻式温度传感器、电容式湿度传感器、生物化学传感器、量子点敏化太阳能电池，形成柔性压力传感器包括：步骤s11～s15。
45.在步骤s11，采用飞秒激光多丝加工技术在氮气氛围下烧蚀出具有蜂窝状微结构的第一硅模板。
46.在步骤s12，利用第一硅模板，采用倒模工艺处理聚二甲基硅氧烷薄膜，形成具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层12。
47.根据本发明的实施例，具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层与第一硅模板具有相反的微结构。
48.在步骤s13，将具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层12转移至第一基底层11上。
49.根据本发明的实施例，第一基底层11为聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。
50.在步骤s14，在具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层12上形成mxene活性材料层13。
51.在步骤s15，在mxene活性材料层13上形成叉指电极层14，以输出mxene活性材料层13在受压状态下产生的电信号。
52.根据本发明的实施例，叉指电极层14为ag/聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。
53.根据本发明的实施例，通过采用飞秒激光多丝加工技术制备具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层，可以实现低成本、高效、大面积、可定制地制备柔性压力传感器。
54.根据本发明的实施例，在衬底上形成生物化学传感器，生物化学传感器适用于连续地感测用户汗液中的生理学参数；形成生物化学传感器包括：利用飞秒激光多丝加工技术在第二基底层上形成具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层；采用物理气相沉积法在具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层上沉积金薄膜层，形成表面增强拉曼散射基底(sers基底)。
55.根据本发明的实施例，金薄膜层的厚度为20nm，沉积速率为0.15nm/s。
56.根据本发明的实施例，利用飞秒激光多丝加工技术在第二基底层上形成具有多级
微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层包括：采用激光照射硅表面，形成具有多级微纳结构的第二硅模板；利用第二硅模板，采用两次软光刻倒模工艺处理聚二甲基硅氧烷薄膜，形成具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层；其中，激光为百tw/cm2量级，激光的脉冲中心波长为800nm，重复频率为1000hz，脉宽为40fs，激光经过焦距为0.75m的平凸透镜在空气中聚焦。
57.根据本发明的实施例，采用两次软光刻倒模工艺处理聚二甲基硅氧烷薄膜，形成具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层包括：利用第二硅模板，采用第一次软光刻倒模工艺将聚二甲基硅氧烷薄膜制作为具有与第二硅模板相反微结构的第一模板；以及利用第一模板，采用第二次软光刻倒模工艺将聚二甲基硅氧烷薄膜制作为具有与第二硅模板相同微结构的具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层。
58.根据本发明的实施例，在具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层上蒸镀金薄膜层之前，先采用o2等离子体对具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层进行处理，然后用巯基丙基三甲氧基硅烷(mpts)对其表面进行巯基基团的嫁接，从而有效改善具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层与金薄膜层之间的界面附着力。
59.根据本发明的实施例，具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层与金薄膜层形成等离子体结构，有助于增强局部电磁场，实现较高的sers基底活性，可实现对低浓度的分析物进行高灵敏度无标记检测。
60.根据本发明的实施例，基于百tw/cm2量级高强度激光实现sers基底的制备，工艺简单且制备效率高。
61.根据本发明的实施例，在衬底上形成量子点敏化太阳能电池，量子点敏化太阳能电池包括zns/cdse/cds/黑tio2光阳极和cus对电极；在衬底上形成量子点敏化太阳能电池包括：采用飞秒激光多丝加工技术制备氮掺杂黑tio2，利用氮掺杂黑tio2形成zns/cdse/cds/黑tio2光阳极。
62.根据本发明的实施例，采用飞秒激光多丝加工技术制备氮掺杂黑tio2包括：采用飞秒激光多丝加工技术在氮气环境及尿素溶液环境下辐照尺寸为70～100nm的锐钛矿型tio2制作得到的tio2悬浮液。
63.图2为根据本发明实施例的制备氮掺杂黑tio2的实验装置示意图。
64.根据本发明的实施例，参考图2所示，采用飞秒激光多丝辐照tio2悬浮液的过程中，将激光放大系统产生的35fs，800nm激光束通过焦距为25cm的平凸熔融石英透镜聚焦成丝，进而辐照到tio2悬浮液表面上，其中，飞秒激光的单脉冲能量固定在1.8mj。需要注意的是，采用飞秒激光多丝辐照tio2悬浮液的情况下，辐照结束后需要将tio2过滤，并在90℃的条件下干燥12h。
65.根据本发明的实施例，采用飞秒激光多丝加工技术制备氮掺杂黑tio2包括：采用飞秒激光多丝加工技术在氮气环境下辐照尺寸为70～100nm的锐钛矿型tio2粉末。
66.根据本发明的实施例，参考图2所示，采用飞秒激光多丝辐照tio2粉末的过程中，采用焦距为1m的平凸熔融石英透镜将飞秒激光脉冲聚焦成丝，进而在氮气环境中辐照tio2粉末，其中，飞秒激光的单脉冲能量固定在1.0mj。
67.需要说明的是，飞秒激光多丝辐照的扫描速率是10mm/s，飞秒激光多丝辐照tio2悬浮液和飞秒激光多丝辐照tio2粉末之间的加工线的距离为100μm。
68.根据本发明的实施例，采用飞秒激光多丝加工技术实现氮掺杂黑tio2的高效制备，解决常规表面无序化制备技术存在的制备效率低、产生污染的问题，并作为量子点敏化太阳能电池的光阳极可以大幅度增强量子点敏化太阳能电池的功率转换效率。
69.图3为根据本发明实施例的柔性压力传感器的结构示意图。
70.本发明还提供一种利用上述的制备方法得到的健康监测系统，包括：柔性压力传感器，参考图3所示，包括：第一基底层11；具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层12，位于第一基底层11上，适用于感测压力信号；mxene活性材料层13，位于具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层12上，适用于在受压状态下产生电信号；以及叉指电极层14，位于mxene活性材料层13上，适用于输出电信号。
71.根据本发明的实施例，柔性压力传感器为压阻式压力传感器。
72.根据本发明的实施例，上述的健康监测系统还包括：电阻式温度传感器，适用于连续地感测用户皮肤的温度信号；电容式湿度传感器，适用于连续地感测用户皮肤的湿度信号；生物化学传感器，适用于连续地感测用户汗液中的生理学参数；量子点敏化太阳能电池，适用于为柔性压力传感器、电阻式温度传感器、电容式湿度传感器、生物化学传感器供电。
73.图4为根据本发明实施例的电容式湿度传感器的结构示意图。
74.根据本发明的实施例，参考图4所示，电容式湿度传感器2包括pi(聚酰亚胺)湿敏薄膜层21；go(氧化石墨烯)薄膜层22，形成在pi湿敏薄膜层21上；多孔网状电极层23，形成在go薄膜层22上；以及平板电极层24，形成在pi湿敏薄膜层21的远离go薄膜层22的一侧。电容式湿度传感器基于pi湿敏薄膜层21的介电常数随相对湿度的变化而变化这一特性对用户皮肤的湿度进行监测。
75.根据本发明的实施例，电容式湿度传感器2的制备过程包括：利用paa(聚酰胺酸)溶液制备得到pi湿敏薄膜层21；采用喷涂法在pi湿敏薄膜层21上喷涂go薄膜层22，以形成pi/go复合薄膜；采用丝网印刷工艺在pi/go复合薄膜的上表面和下表面分别形成多孔网状电极层23和平板电极层24。
76.需要说明的是，在pi湿敏薄膜层21上喷涂go薄膜层22用于增加表面粗糙度并提供亲水官能团，多孔网状电极层23制作为多孔网状结构是用于增加水分子透过率。
77.根据本发明的实施例，电阻式温度传感器包括pet基底层和和形成在pet基底层上的pedot:pss-cnt薄膜电阻；基于pedot:pss-cnt薄膜电阻随温度变化这一特性对用户皮肤温度进行监测。
78.根据本发明的实施例，电阻式温度传感器的制备过程包括：采用丝网印刷工艺在pet基底层上制备pedot:pss-cnt薄膜电阻。其中，丝网印刷的模板可以采用聚酰亚胺胶带。
79.根据本发明上述的实施例提供的健康监测系统的制备方法，通过在衬底上形成柔性压力传感器、电阻式温度传感器、电容式湿度传感器、生物化学传感器、量子点敏化太阳能电池，提供一种轻巧、便携式健康监测系统，可实现不同种类的物理信号的多重响应，即同时具备人体生理信号、温度、湿度以及汗液中的代谢物的检测能力，并采用量子点敏化太阳能电池作为健康监测系统的电源。
80.根据本发明上述的实施例提供的健康监测系统的制备方法，通过采用飞秒激光多丝加工技术制备具有蜂窝状微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层，可以实现低成本、高效、大面
积、可定制地制备柔性压力传感器。
81.根据本发明上述的实施例提供的健康监测系统的制备方法，基于百tw/cm2量级高强度激光实现sers基底的制备，工艺简单且制备效率高；基于具有多级微纳结构的聚二甲基硅氧烷薄膜层与金薄膜层形成的等离子体结构，有助于增强局部电磁场，实现较高的sers基底活性，可实现对低浓度的分析物进行高灵敏度无标记检测。
82.根据本发明上述的实施例提供的健康监测系统的制备方法，采用飞秒激光多丝加工技术实现氮掺杂黑tio2的高效制备，解决常规表面无序化制备技术存在的制备效率低、产生污染的问题；基于光丝辐照后氮掺杂黑tio2具有的吸收宽谱范围内太阳能的能力，即在可见光到近红外光谱范围以及微波范围内的吸收明显增强，将其作为量子点敏化太阳能电池的光阳极以大幅度增强量子点敏化太阳能电池的功率转换效率。
83.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。