上海交大：研究基于微金字塔结构和内嵌银纳米线的柔性PDMS压力传感器及其在尿流量测量中的应用

       1.柔性压力传感器的工作原理

       本研究在柔性PDMS表面引入了微型椎体结构，并在这些微锥体内部均匀地嵌入了银纳米线。微型椎体结构的引入增强了传感器对微小压力信号的敏感响应；同时，作为导电成分的银纳米线不仅实现了压力-电阻信号的采集和转换，而且由于其金属材料的固有刚性，有效降低了PDMS这种弹性材料固有的迟滞现象。无负载条件下，由于微锥体与电极之间的接触面积较小，传感器的电阻值相对较大。当施加压力时，PDMS的压缩变形导致嵌入在微锥体表面的银纳米线之间形成了更多的导电连接，同时微锥体与电极之间的接触面积也相应增加。因此，施加的压力与传感器的电阻之间呈现出负相关关系。通过向传感器施加恒定电压，将会获得与压力信号呈正相关的电流响应。因此，测量电流能够比直接测量传感器的电阻获得更直观的压力变化指示。

       图1.柔性压力传感器的工作原理

       2. 传感器对压力信号的测量结果 测量结果显示，该传感器能够在至少3000 Pa的范围内实现对压力信号的精确分辨。同时，在500 Pa的阶跃压力信号作用下，其响应时间不超过20 ms，展现了出色的快速响应特性。此外，该传感器还具备极低的压力检测限（低至50 mg）。由于人体动脉压信号中包含丰富的生理信息，测量波形的保真度直接反映了传感器的灵敏度、低滞后性和响应速度等核心性能参数。而该传感器能够精确地捕捉到人体桡动脉、颈动脉脉搏中的波峰、波谷和反射波等细微信息，这凸显了其捕捉微弱生理信号的能力。此外，在至少250 s的连续工作时间内，面对每秒7次的快速循环载荷，该传感器依然保持出色的响应速度和良好的可重复性。因此，所设计的柔性压力传感器具备高灵敏度、快速响应、低滞后性和高稳定性。

       图2.压力信号的测量结果

       3. 尿流量测量的原理 柔性压力传感器被嵌入尿流量计的底部水平管道中，微型转子则固定于管道出口。光电传感器安装在转子两侧，用以检测转子的旋转情况。尿液流入水平管道时，其流量Q通过尿流截面积S与流速V的乘积计算（Q=S×V）。截面积S通过柔性传感器的电流响应间接测得，因为流体在水平管道底部的流速趋于0，静水压力在水平管道底部占主导，因此，尿流截面积S与柔性传感器在管道底部检测到的压力P呈正相关关系。通过测量传感器的电流响应I，可获得尿液的截面积S。而尿液流速V则由微型转子的旋转速度r反映，当尿液流经管道并从底部出口流出时，会冲击微型转子，使其旋转。光电传感器记录单位时间内转子对光的遮挡次数以表征流速V。最终，通过公式Q=S×V，即可准确得出尿流率Q。

       图3.尿流量计的工作原理

       4. 尿流量计的标定    首先，通过逐步增加水流的截面积S，并记录柔性压力传感器的电流响应I，从而建立了S–I关系。结果表明，截面积S与电流响应I之间存在正相关关系，且这些数据可以通过多项式函数曲线进行拟合。接下来，为了确定转速r与流速V之间的关系，逐步增加水流流速V，并监测转子的转速r。实验结果表明r与V之间存在线性关系，这一关系可以通过一次函数进行拟合。综上，所得到两条拟合线提供了传感器电流响应I与截面积S、转子转速r与水流流速V之间的关系，二者可以作为将测量信号（电流响应I和转子转速r）转换为流速Q的基础。

       图4. 尿流量计的标定结果

       5. 尿流量的测量过程 使用输出流量可控的蠕动泵将水按照预设的流量排入尿液流量计来模拟人类排尿过程。此时传感器的电流响应I可以通过标定获得的多项式拟合曲线转换为水截面积S。同时，转子的速度r可以通过标定获得的一次拟合函数转换为水的速度V。因此，根据Q=S×V，尿路流量计测量的尿流量曲线可以通过转换得到的截面积S和速度V相乘来获得。

       6. 测量结果展示 选择了正常尿流、间断尿流、波动尿流以及低缓尿流四种典型的人体排尿模式来测试尿液流量计的实用性。随后，对尿流量计的测量结果与原设定的排尿曲线之间的相似性进行了比较。结果表明，尿流量计成功地记录了泵输出流量曲线的所有关键形状特征。然而，由于测得曲线中存在高频噪声信号的干扰，与预设定的排尿曲线相比，测量的波动和低缓尿流曲线显示出了更高的最大尿流率值，这可能会误导临床诊断。为此，选择了截止频率为5 Hz的低通滤波器对测得曲线进行滤波处理。滤波后的尿液流速曲线更为平滑，且高频分量显著减少。滤波后的尿流量曲线与预设的排尿曲线之间的相似性得到了进一步增强。

      图6.尿流量计的测量结果

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