驻极体腕戴式压力传感器：实现无创连续血压监测的新突破

《Cell Reports Physical Science》：Electret-based wrist-worn pressure sensor for non-invasive monitoring of pulse and blood pressure

本刊推荐：针对心血管疾病(CVDs)早期诊断中连续血压(BP)监测的临床需求，研究人员开发了一种基于驻极体(electret)的腕戴式压力传感器(EWPS)。该传感器通过改进驻极体充电工艺将表面电荷密度提升至-0.4 mC m-2，结合脉冲波分析(PWA)算法，实现了仅用单个传感器即可完成连续无创血压监测。实验结果显示其测量精度与欧姆龙(OMRON)腕式血压计相当（平均误差±5 mmHg），灵敏度达3.86 V kPa-1，检测限低至3.8 Pa，为家庭健康监护提供了创新解决方案。

　　

随着心血管疾病成为威胁人类健康的首要因素，全球每年约有1780万人因其失去生命，开发能够实现连续血压监测的可穿戴设备已成为精准医疗领域的迫切需求。传统临床血压计依赖充气袖带，体积笨重且无法满足动态监测需求；而当前主流的无袖带测量技术如光电容积脉搏波(PPG)易受环境光干扰，脉搏波传导时间(PTT)法则需多个传感器协同工作。更棘手的是，现有自供电脉搏传感器普遍存在灵敏度低或长期稳定性不足的缺陷——压电式传感器如聚偏氟乙烯(PVDF)的压电系数仅33 pC N^-1，摩擦纳米发电机则受限于接触起电的不稳定性。

针对这一技术瓶颈，哈尔滨工业大学李长庚团队在《Cell Reports Physical Science》发表最新研究，提出了一种基于驻极体技术的腕戴式压力传感器(EWPS)。这种传感器采用多层堆叠结构：中心为十字形聚二甲基硅氧烷(PDMS) spacer，外围是环形聚酰亚胺(PI) spacer，夹层中两片30微米厚的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜分别作为驻极体和绝缘层。通过优化电晕充电与120℃热处理的组合工艺，使PTFE驻极体表面电压稳定在-600 V，电荷密度达-0.4 mC m^-2。其等效弹性模量11.62 kPa与人体皮肤(5.1-13.3 kPa)完美匹配，确保了佩戴舒适性。

关键技术方法包括：1）通过ANSYS Workbench进行机械建模优化spacer结构；2）采用磁控溅射制备100纳米金电极；3）建立包含电荷放大器、蓝牙模块的信号处理系统；4）开发基于脉搏波特征点识别的血压估计算法；5）使用欧姆龙腕式血压计进行30组对照实验验证精度。

设计建模与性能表征

通过有限元仿真发现，当PDMS spacer十字宽度从0.5 mm增至1.5 mm时，气隙最大变形从571微米降至525微米。电气模型分析表明，在600微米气隙压缩至200微米过程中，电容变化约7 pF，模拟开路电压达200 V，远超传统压电/摩擦电传感器(2.23-24 V)。

传感器制备与稳定性

对比实验显示，未充电驻极体传感器输出电压可忽略，证实信号主要来源于驻极体效应。该传感器准静态压电系数d₃₃达1200 pC N^-1，是PZT(600 pC N^-1)的2倍、PVDF的36倍。在2.5 Hz频率下经历10000次循环按压后信号衰减<10%，70毫克水滴冲击实验验证其3.8 Pa的检测限与20 ms响应速度。

脉搏血压监测系统

研究人员构建的监测系统通过识别脉搏波周期起点、收缩峰、重搏切迹等特征点，利用逐步线性回归建立血压估算方程。30组临床对照实验显示，收缩压(SBP)和舒张压(DBP)测量误差分别为-0.02 mmHg和-0.01 mmHg，标准偏差为3.69 mmHg和2.83 mmHg，完全符合ANSI/AAMI/ISO 81060-2临床标准。

这项研究通过材料创新与算法融合，实现了无需外部供电、仅凭单传感器即可完成医疗级精度的连续血压监测。其11.62 kPa的弹性模量使传感器如第二层皮肤般贴合，3.86 V kPa^-1的灵敏度可捕捉细微脉搏波动，为高血压、心律失常等疾病的早期筛查提供了居家监测新范式。未来通过优化驻极体材料电荷稳定性，有望进一步突破性能极限，推动柔性电子在精准医疗领域的深度应用。