基于PVDF压电薄膜的柔性压力传感器设计制作及应用研究.pdfVIP

摘要

随着现代社会的不断发展，人们对健康生活的需求也不断提高，如何实现便捷、实时的

健康监控与疾病的早期诊断已经成为人们亟待解决的问题。心率和血压作为人体重要的生命

体征，能动态、直接地反映心脑血管的生理状态，也是疾病预防和治疗的重要依据。因此，

研制一种穿戴舒适且可持续监测人体心率、血压等生理信号的设备具有重要的意义，有利于

预防、诊治高血压和心血管病等隐性疾病。目前市场上的健康监测设备大多基于刚性器件，

与皮肤不能适形贴合，不仅降低了检测精度，还影响穿戴的舒适性，无法达到真正意义上的

可穿戴要求。作为可穿戴电子设备的核心器件，具有柔软、延展性好、穿戴舒适等特性的柔

性传感器可适形贴附于人体皮肤表面，为解决上述问题提供了一种有效方案。因此，本文基

于聚偏氟乙烯（PVDF）柔性压力传感器开发了高性能的脉搏检测系统，实现了人体心率和血

压的精确检测。本文的主要研究内容如下：

首先，采用微电子打印技术，在PVDF压电薄膜上打印银电极，并以聚酰亚胺（PI）薄

膜作为封装材料，制备了高性能PVDF柔性压力传感器。基于COMSOL有限元仿真分析，

研究了PI厚度对隔热性能和PVDF柔性压力传感器灵敏度的影响，发现隔热性能与PI的厚

度呈正相关，传感器灵敏度与PI的厚度呈负相关。综合考虑仿真结果和传感器的柔韧性，最

终选用了厚度为30μm的PI薄膜进行封装，所制备的PVDF柔性压力传感器厚度为0.35mm。

其次，选用电荷测量模式，设计了由电荷放大电路和低通滤波电路组成的信号调理电路。

通过磁控溅射与激光直写工艺制作了可拉伸的蛇形线Cu/PI柔性电路，并将其贴合到拉伸性

能良好的聚二甲基硅氧烷（PDMS）柔性基底上，成功实现了PVDF柔性压力传感器信号调

理电路的柔性化。所制备的PVDF柔性压力传感器具有响应速度快（38μs）、分辨率高、检

测限低、电学性能稳定等优点，并在宽量程范围内（0.2~1.5MPa）具有良好的线性度，灵敏

度达到330mV/MPa。

再次，结合基于LabVIEW开发的脉搏信号采集软件、PVDF柔性压力传感器及其柔性信

号调理电路，建立了完整的脉搏检测系统，并实现了人体脉搏和呼吸信号的检测。同时，研

究了热气流、气球爆破冲击、远距离传输等因素对脉搏检测的影响，发现陶瓷纤维隔热保护

毡可用于隔热和抗冲击保护，有效地减少了信号干扰，且长距离屏蔽线传输仍能检测到良好

的脉搏信号。通过对采集到的原始脉搏信号进行小波降噪、去除基线漂移等预处理以及特征

点提取，实现了准确的心率检测，其平均误差仅为2.02%。

最后，通过所搭建的脉搏检测系统采集了多名志愿者的脉搏数据，并构建了三种血压计

算模型。使用平均绝对误差（MAE）±标准差（STD）对血压检测精度进行评估，基于脉搏

波传播时间（PTT）的一元线性回归模型的收缩压（SBP）计算误差为3.491±1.966mmHg，

舒张压（DBP）为2.836±1.514mmHg。基于PTT和心率的二元线性回归模型的SBP和DBP

计算误差分别为3.431±2.048mmHg和2.745±1.548mmHg。第三种模型在二元线性回归模型

的基础上引入卡尔曼滤波算法，可以自适应校准模型参数，从而降低血压计算误差，其SBP

和DBP计算误差分别为2.293±2.346mmHg和1.884±1.879mmHg。三种血压计算模型的检测

精度均满足美国医疗器械促进协会（AAMI）的血压检测标准（平均误差±5mmHg，标准差

8mmHg），表明本文所研制的基于PVDF柔性压力传感器的脉搏检测系统可用于脉搏和血压

的精确检测。

关键词：聚偏氟乙烯（PVDF），压电式，柔性压力传感器，脉搏，血压

ABSTRACT

Withthedevelopmentofmodernsociety,peoplesdemandforahealthylifeisalsoincreasing.

Howtoachieveconvenientandreal-timehealthmonitoringandearlydiagnosisofdiseaseshas

becomeanurgentproblem.Hea