自供电汗液检测系统的设计与研究

来源 :哈尔滨理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zouyongchina
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随着社会的发展和科技的进步,各种功能的传感器被集成在可穿戴设备上,用于连续监测个人健康状况,实现个性化医疗。人体汗液中富含多种人体生理信息,汗液检测是实现个性化医疗的重要手段。本文采用摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)为汗液检测系统提供能量,通过柔性汗液传感器检测汗液中的葡萄糖成份,实现自供电汗液检测系统,完成汗液无创检测。
  首先,以汗液与血液葡萄糖成分的相关性为依据,设计一种三电极的汗液柔性传感器,以Au作为电极,以葡萄糖氧化酶和普鲁士蓝(Prussian Blue,PB)作为催化剂,最终实现汗液中葡萄糖的无创检测。
  其次,通过Maxwell方程,推导TENG数学模型并分析发电输出特性,建立TENG的2D与3D发电模型并进行Comsol有限元分析,分析垂直与水平摩擦发电的优缺点,优化TENG等效电路模型,得到两种与实际电压输出相符的输出特性曲线。
  然后,根据接触力模型,探究表面结构修饰对发电性能的影响;研究TENG电流源与电容特性,设计能量转换电路,提高超级电容储能速度;搭建TENG发电测试平台,对TENG发电性能进行验证。
  最后,设计汗液葡萄糖传感器检测电路和嵌入式低功耗蓝牙汗液葡萄糖检测系统,开发基于PyQt的系统测试软件和移动端APP,实现测试数据的可视化。试验结果表明:TENG具有良好的发电性能,电压最高可达到170V,可同时驱动上百个LED。TENG发电经能量转换电路后,通过超级电容进行储能,为柔性汗液检测系统提供能量,完成汗液的检测及数据的蓝牙传输。该柔性汗液传感器在pH值5.5-6.5范围内表现稳定,一阶灵敏度为682.87nA/mM,满足汗液中葡萄糖检测的要求。可连续检测运动者汗液中的葡萄糖成分,为评估运动生理状态提供基础数据。
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