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Flexible Wearable Microfiber Respiratory Sensor Based on Microspheres Coupling

超细纤维 微球 材料科学 聚二甲基硅氧烷 灵敏度(控制系统) 可穿戴计算机 纳米技术 光学 计算机科学 复合材料 电子工程 物理 化学工程 工程类 嵌入式系统
作者
Chunlei Jiang,Penghui Dai,Xinru Li,Zhicheng Cong,Taiji Dong,Yu Sun,Xiankun Liu,Yuan Sui,Peng Chen,Xianli Yu,Xiufang Wang
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:23 (22): 27324-27330 被引量:1
标识
DOI:10.1109/jsen.2023.3319078
摘要

We propose a flexible wearable respiratory sensor based on microspheres coupling, where the sensing element is a microfiber embedded in a polydimethylsiloxane (PDMS) film doped with 5- $\mu \text{m}$ -diameter silica microspheres. In this study, PDMS doped with microspheres was used to coat microfibers for the first time, and the enhancement of the evanescent field on the surface of microfibers was observed. Theoretically and experimentally, it is found that the light transmitted in the optical fiber core is effectively dragged by the microsphere, which significantly enhances the evanescent field and thus improves the sensitivity of the sensing element. During the respiratory monitoring, the pressure generated by the respiratory airflow causes the sensing element to bend, and the self-mixing interference is used to detect the power change of reflected light to reconstruct the respiratory signal. The empirical findings demonstrate a peak in sensor sensitivity at a microsphere doping concentration of 0.1 g/mL, while a subsequent augmentation in microspheres doping concentration inversely correlates with sensor sensitivity. Notably, the sensor developed with a 0.1-g/mL microspheres doping concentration exhibits an exceptional capacity for continuous, real-time differentiation among diverse respiratory signals. This innovation is characterized by its elevated sensitivity and responsiveness, evidenced by an impressively short 28-ms response time. To validate the sensor’s effectiveness, we employed the Bland–Altman statistical analysis test to assess the accuracy of respiration rate measurements using the collected data from the test subjects. The favorable outcomes we obtained offer a promising avenue for advancing research in the realm of noninvasive vital signs monitoring.
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