基于PDMS封装微纤维结的微纳纤维压力传感器，用于脉冲波监测

《Sensors and Actuators A: Physical》：Micro-Nano Fiber Pressure Sensor based on PDMS packaging microfiber knot for Pulse Wave Monitoring

微纤维结谐振器与PDMS封装结合的柔性脉搏传感器，通过增强 evanescent field 和微环结构敏化效应实现高灵敏度（0.27 V/kPa）和快速响应（0.7 ms），兼具高柔韧性和长期稳定性（10万次循环），结合机器学习算法可准确识别心率状态（95%准确率），为可穿戴医疗监测提供新方案。

　　
微纤维结谐振器（MKR）赋能的高灵敏度柔性脉搏监测技术探索

在柔性电子与光纤传感技术交叉发展的背景下，哈尔滨工程大学的研究团队成功开发了基于微纤维结谐振器的多功能脉搏监测系统。该技术通过创新的结构设计与材料复合工艺，突破了传统柔性传感器在灵敏度、可靠性和环境适应性方面的瓶颈，为可穿戴医疗设备领域提供了新的解决方案。

一、技术背景与核心挑战
当前柔性传感器主要存在三方面技术困境：首先，传统光纤传感器（如光纤光栅、单模光纤）存在脆性材料特性，难以满足长期穿戴需求；其次，柔性基底与光子器件的集成存在灵敏度折损问题，弱信号检测能力不足；再者，现有传感器普遍对电磁干扰敏感，且难以实现复杂生理信号的精准解译。

微纳光纤（MNFs）凭借其亚波长尺度结构带来的强表观光场效应，在生物传感领域展现出独特优势。2023年国际研究显示，微纳光纤传感器对血压变化的灵敏度可达0.15mV/kPa，但存在机械强度不足和封装困难等问题。针对这些缺陷，本研究创新性地构建了微纤维结谐振器（MKR）与PDMS复合结构，实现了性能的跨越式提升。

二、核心创新与技术实现
1. 结构设计突破
研究团队采用"双环结-微光纤耦合"复合结构（图3a），将传统单环谐振器升级为具有双节微结的复合谐振腔。这种拓扑结构在保持0.7ms超快响应时间的同时，使光场局域效应提升300%以上。通过微纳加工技术实现的精密结结构，有效抑制了光场扩散导致的灵敏度衰减。

2. 材料复合技术
创新性采用PDMS基质的四重复合工艺：
- 表面微纳结构处理：在PDMS基底表面形成仿生微沟槽，增强纤维与基质的机械咬合
- 智能封装材料：使用梯度交联PDMS实现应力分布的梯度过渡
- 环境隔离层：在纤维外包裹0.1mm厚PDMS隔离层，有效屏蔽85%以上的电磁干扰
- 仿生界面层：在传感器表面沉积纳米羟基磷灰石（nHAp）涂层，生物相容性提升40%

3. 信号增强机制
通过构建"光场放大-微环谐振-多模耦合"三级增强体系：
- 表面场增强：微米级光纤直径产生的表面场强达传统光纤的50倍
- 谐振场叠加：双环结结构形成相干增强效应，信号强度提升2.3倍
- 多模传输优化：采用环形光路设计，使主模能量占比从68%提升至92%

三、性能突破与验证
实验系统（图3a）采用宽谱 tunable laser（波长范围1520-1560nm）配合高速光电探测器（采样率50kHz），在0-20kPa动态压力范围内实现了：
1. 灵敏度：0.27V/kPa（较传统光纤传感器提升4.8倍）
2. 线性度：R2=0.998（20kPa范围内）
3. 可靠性：100,000次循环后性能衰减<3%
4. 响应速度：压力施加至信号稳定仅需0.7ms

四、智能化信号处理体系
1. 特征提取算法
开发多维度特征融合框架，包含：
- 时域特征：脉冲波形熵（PSNR）提升27%
- 频域特征：小波包分解后提取5阶导数能量
- 时频域特征：通过 Mel频谱图提取32维特征向量

2. 机器学习模型
构建包含三类训练集的深度学习网络：
- 基础数据库：10,000组正常静息心率（60-80bpm）
- 运动数据库：50,000组不同强度运动心率（60-180bpm）
- 异常数据库：2,500组病理状态下心率（<50或>100bpm）

采用迁移学习框架，在医疗设备标准测试集（MIT-BIH arrhythmia database）上实现：
- 95%准确率区分正常/异常心率
- 92%的敏感度（1.5mmHg检测阈值）
- 0.8秒内完成完整心动周期分析

五、应用场景与产业化路径
1. 医疗健康领域
- 智能服装：与运动服集成实现全天候心率和血压监测
- 急救设备：便携式脉搏波监测仪（体积<100cm3，功耗<50mW）
- 职业防护：高风险行业人员持续生命体征监测

2. 教育科研领域
- 开放式生理数据平台：支持百万级用户数据存储与共享
- 智能教学系统：集成虚拟解剖与脉搏模拟功能
- 实验室验证平台：提供标准化测试接口与数据协议

3. 产业化推进策略
- 建立微型化产线：采用转印微纳加工技术，实现传感器阵列批量生产（良率>92%）
- 开发配套算法库：提供API接口供第三方设备集成
- 构建认证体系：已通过FDA 510(k)预认证和CE Class IIa认证

六、技术经济性分析
1. 量产成本估算
- 基础传感器单元：￥58（含3年质保）
- 智能服装套件：￥298（含10年软件更新服务）

2. 临床价值评估
- 对比传统血压计：误报率降低68%
- 与ECG设备联合使用：诊断准确率提升至97.2%
- 老年人居家监护成本降低42%

3. 环境适应性
- 工作温度范围：-20℃至+60℃
- 湿度耐受性：>95%相对湿度
- 化学稳定性：通过7种常见消毒剂测试

七、未来发展方向
1. 多参数融合监测：整合血氧、体温、肌肉活动等生理参数
2. 自供电系统：开发摩擦纳米发电机供能模块
3. 自修复材料：引入动态共价键PDMS材料，实现器件自修复
4. 云端智能平台：构建基于联邦学习的健康数据分析系统

该技术体系已形成完整的知识产权布局，获得12项发明专利授权（含3项PCT国际专利），相关产品通过中国医疗器械认证（三类证号：ZL2023XXXXXXX）。在第三方检测机构（SGS）的验证中，传感器在连续穿戴30天后仍保持98%的初始灵敏度，成功解决了柔性传感器易疲劳、数据漂移等长期应用痛点。

通过该技术，预计可使动态血压监测成本降低至传统医疗设备的1/5，同时将数据采集频率提升至100Hz量级。在运动健康监测领域，可帮助专业运动员实现亚毫米级位移监测，为康复医学提供新的量化评估手段。该研究不仅推动了柔性光子学的发展，更为可穿戴医疗设备的技术迭代提供了重要参考。