面向胸腹式呼吸检测需求的柔性传感器制备

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.06.008

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (6): 36-41.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.06.008

面向胸腹式呼吸检测需求的柔性传感器制备

陈元民¹(), 赵梦宇¹, 仇思源¹, 李亚娇¹, 王文昊¹, 王昊³, 朱广迎³(), 孙靖尧¹^,²()

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.有机无机复合材料国家重点实验室，北京 100029
^3.中日友好医院放射肿瘤科，北京 100029

收稿日期:2024-07-13 出版日期:2025-06-26 发布日期:2025-06-20
通讯作者: 朱广迎（1963-），男，博士学位，担任中日友好医院放射肿瘤科主任医师，主要从事肺癌精准放疗和综合治疗， zryyfa@163.com
孙靖尧（1991-），男，见习教授，主要从事聚合物先进制造等方面的研究，Email:sunjingyao@ mail. buct. edu.cn
E-mail:965494783@qq.com;zryyfa@163.com;sunjingyao@ mail. buct. edu.cn
作者简介:陈元民（1998-），男，在读硕士研究生，主要从事聚合物材料加工制备工作，965494783@qq.com

Preparation of flexible sensors for requirement of thoracic and abdominal respiration detection

CHEN Yuanmin¹(), ZHAO Mengyu¹, QIU Siyuan¹, LI Yajiao¹, WANG Wenhao¹, WANG Hao³, ZHU Guangying³(), SUN Jingyao¹^,²()

^1.College of Electromechanical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.State Key Laboratory of Organic and Inorganic Composites，Beijing 100029，China
^3.Department of Radiation Oncology，China?Japan Friendship Hospital，Beijing 100029，China

Received:2024-07-13 Online:2025-06-26 Published:2025-06-20
Contact: ZHU Guangying, SUN Jingyao E-mail:965494783@qq.com;zryyfa@163.com;sunjingyao@ mail. buct. edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

基于半导体应变效应的电阻（应变）式传感器的工作原理，采用空间限域强制组装和丝网印刷两种不同方法对中间导电层进行制备。通过对比，选用空间限域强制组装制备的传感器更符合患者在放疗前的呼吸训练。因此，对该传感器施加24 %的极限应变，并对测量结果进行拟合，得到的灵敏度为0.001 5 V/mm，重复性为96.67 %，表明该传感器在0~24 %应变范围内性能稳定；对该传感器进行10 %应变拉伸测试，得到响应时间T_r $≈$ 137 ms，响应时间较短，符合实时监测需求；并测量了正反行程输出⁃输入曲线，得到该传感器的回程误差δ_H=1.06 %，表明该传感器在长时间工作下趋于稳定。最后，用该传感器采集了胸围不同的10名个体的呼吸信号，体现了该传感器在临床医学上具有重要作用。

关键词: 柔性传感器, 三明治结构, 空间限域强制组装, 呼吸监测, 可拉伸性

Abstract:

This study employs the operating principle of semiconductor⁃based resistive strain sensors to fabricate an intermediate conductive layer using two distinct methods： spatially⁃confined forced assembly and screen printing. Comparative analysis revealed that the sensor produced via spatially⁃confined forced assembly demonstrated superior suitability for pre⁃radiotherapy breathing training in patients. Under a maximum applied strain of 24 %， the sensor exhibited stable performance， with a fitted sensitivity of K=0.0015 V/mm and a repeatability of 96.67 %. Tensile testing at 10 % strain yielded a rapid response time （T_r≈137 ms）， meeting the requirements for real⁃time monitoring. Forward and reverse stroke output⁃input curve measurements further revealed a low return error （δ_H=1.06 %）， demonstrating the working stability of the sensor during prolonged operation. Finally， respiratory signals were successfully collected from ten individuals with varying chest circumferences， highlighting the clinical utility of the sensor in medical diagnostics and patient⁃specific respiratory monitoring.

Key words: flexible sensor, sandwich structure, space?limited domain forced assembly, respiratory monitoring, stretchability

中图分类号:

TQ325.1⁺2

陈元民, 赵梦宇, 仇思源, 李亚娇, 王文昊, 王昊, 朱广迎, 孙靖尧. 面向胸腹式呼吸检测需求的柔性传感器制备[J]. 中国塑料, 2025, 39(6): 36-41.

CHEN Yuanmin, ZHAO Mengyu, QIU Siyuan, LI Yajiao, WANG Wenhao, WANG Hao, ZHU Guangying, SUN Jingyao. Preparation of flexible sensors for requirement of thoracic and abdominal respiration detection[J]. China Plastics, 2025, 39(6): 36-41.

图/表 12

原料名称	含量/份
DCP	1.0
KH⁃570	0.357
白炭黑	7.53
110⁃0硅胶	100

表1 外层绝缘材料的成分

Tab.1 Composition of outer insulating materials

原料名称	含量/份
DCP	1
导电炭黑	10
110⁃2硅胶	100

表2 内层导电材料的成分

Tab.2 Composition of conductive materials in the middle layer

图1 绝缘层制备示意图

Fig.1 Schematic diagram of the preparation of the insulation layer

图2 中间导电层图案

Fig.2 Pattern of the middle conductive layer

图3 丝网印刷法制备导电层示意图

Fig.3 Schematic diagram of the preparation of conductive layer by screen printing

图4 胸腹部呼吸柔性传感器实际穿戴效果

Fig.4 Actual wearing effect of the chest and abdomen respiratory flexible sensor

图5 不同拉伸量下的电压曲线

Fig.5 Voltage curves with different stretch amounts

图6 传感器的响应时间

Fig.6 Sensor response time

图7 正反行程间的差值

Fig.7 The difference between the forward and reverse strokes

编号	电压/V
1	3.981
2	3.992
3	3.983
4	3.989
5	3.986
6	3.991
7	3.976
8	3.982
9	3.988
10	3.984
11	3.986
12	3.987
13	3.990
14	3.979
15	3.987
16	3.989
17	3.983
18	3.986
19	3.990
20	3.987

表3 满量程输入对应的电压值

Tab.3 Voltage value table for full⁃scale input

图8 胸部吸气和呼气的振幅图

Fig.8 Amplitude plot of chest inhalation and exhalation

图9 10个胸部呼吸训练测试数据样本

Fig.9 Ten samples of chest breathing test data

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