模块化可伸缩电子装置的磁性连接器

Gerald Kettlgruber、Doris Danninger、Richard Moser、Michael Drack、Christian M.Siket、

Daniela Wirthl、Florian Hartmann、Maoyong Mao、Martin Kaltenbrunner和Siegfried Bauer

约翰内斯开普勒大学实验物理研究所软物质物理分部

约翰内斯开普勒大学林茨理工学院软材料实验室

摘要

穿戴式医疗设备可监视医院外患者的状况，从而增加治疗能力和资源。同时，患者可从无线数据传输和兼容的设备设计中受益，从而加快康复过程，并将其整合到正常的日常活动中。

然而，由于设备需要适应大量不同的患者和治疗方案，给个性化治疗的成功实施带来了广泛的工程挑战。在此，本文介绍了通过磁性点击机制可逆地组装的移动健康(mHealth)设备的软构建块。具有固有保护机制的可靠磁性连接器可实现个性化的可穿戴mHealth设备，而与(所需)测量技术无关。

可伸缩的弹性体单元与不可感知电极结合，通过控制磁连接的打开力来防止过度拉伸。可伸缩装置在超过1万次的开启周期中保持电气和机械功能，符合消费电子产品中使用的通用串行总线C型(USB C)连接器的标准。

由可靠连接的电路组装而成的功能齐全且自主的脉冲传感器腕带，展示了适用于mHealth设备的可行实施方案。即插即用的模块化确保了适用性独立于患者的需求，而不会牺牲功能性和耐用性。

正文

医疗监测正在从笨重的医院固定设备转变为用于个性化诊断的小型可穿戴设备，健身/活动追踪器等生活方式产品已经上市。这些小工具是为检查特定的身体功能而设计的，24小时的监控是最具洞察力的，但很难实现。

体温、心率、呼吸频率和血压(BP)是医学专业人员日常测量的四大主要生命体征，然而，个人的需求往往与所进行的活动有关。足部压力分布(FPD)测量可以揭示姿势问题的根源，而对于长期医学监测和监视，血压、肌电图(EMG)、脑电图(EEG)或心电图(ECG)测量(图1A)至关重要。

因此，有必要让患者自己轻松地移动和使用用户友好的设备。随着可塑形磁电子器件、皮肤上的血流传感器和可穿戴的汗液传感器等应用的快速发展，可伸缩设备正在发展成为可配置和可穿戴医疗监测平台。

模块化方法使知情患者能够根据当前需求交换具有不同输入和输出特性的功能单元(图1B)。复杂而昂贵的模块(如数据处理和通信单元)的再利用，加上一次性组件(如无菌或可生物降解的传感器贴片)的交换，为电子设备和材料的可持续管理提供了极好的途径。例如，利用自愈合材料来实现皮肤上可伸缩电子器件的模块化，但是这个的方法仍然需要提前完成设计过程，并且没有提供可由病人自己执行的即插即用的模块化。我们在这里介绍了安全磁连接器，使模块化可伸缩电子电器的开发与一个集成的保护机制，以保护应变敏感的部分，从机械故障。传统的模块化电子产品通常使用钳形或插头-插座连接。然而，磁链已经在商业或工业上得到了很好的应用，尽管仅限于刚性器件。例如，它们被用于消费型笔记本电脑的电源连接器，是完全刚性的，也被用于软机器人和微流体设备的组装，现在也进入了医疗电子系统领域。此外，尽管仍处于早期阶段，但具有电和磁特性的液态金属的利用，为将磁性连接纳入可伸缩装置提供了一条很有前途的途径。

在本文中，我们证明了基于可伸缩电子电路的磁性连接器在电和机械两方面连接移动健康应用的单个功能单元的可行性。除了医疗应用，我们的连接器还可以显著简化传感器和数据传输单元与软机器人的整合，从而实现智能的独立解决方案。在我们的方法中，我们制造出可伸缩模块，其中包含一个带有嵌入磁铁的弹性体基体，以及通过在顶部起皱纹使其可伸缩的电子线路(图1C)。弹性体中的磁体在具有可调保持/释放力的单个单元之间建立机械和电气连接(图1D)。这使得各种特定任务单元的制造变得容易，包括电源、传感器和通信模块，这些模块具有防止敏感电子部件过度拉伸的内在保护。我们阐述了实现至少10000个开启和关闭周期的设计过程，安全磁连接器的制造过程，以及模块化mHealth脉冲传感腕带的概念验证。

整个设备由三个具有不同任务的独立模块组成。一个定制的脉冲传感器利用了血液的光学反射特性，而第二个单元装有一个微控制器，该微控制器带有蓝牙低能量(BLE)模块，用于获取传感器数据，并将其传输到任何蓝牙兼容的设备(如手机)。第三个模块作为脉冲和通信模块的电源(图1C)。

图1.身体传感器和模块化单元概念。A)多种人体传感器可用于监测人体功能，如BP、肌电图(EMG)、脑电图(EEG)、ECG或FPD。B)即插即用结构，由传感器、电源、通信、信号处理单元组成。C)用于脉搏监测的软mHealth腕带的全功能演示，包括三个单元。背面为脉冲测量传感器单元，前面为包含集成BLE模块的微处理器的单元，电源单元安装在BLE单元的后面。D)通过磁连接器连接的两个模块的原理图。

在硬插插座连接器上使用磁性可以节省嵌入到可伸缩矩阵中，保持设备柔软的表面特性。此外，他们提供了一个零力配合能力，并防止错误连接。该设计概念由两个模块来演示:一个模块装有传感器，另一个模块装有通信单元。在这两个单元中，封装刚性部件的岛是由杨氏模量较高的弹性体(聚二甲基硅氧烷[PDMS])制造的，而不是相互连接的大块材料(Ecoflex 00-30;图2 a)。采用弹性模量梯度弹性体的刚性岛方法减小了关键部件的应力，避免了传感器的不利运动。有限元仿真和原型证明了这种设计的有益效果(图2B,C)。传感器/通信岛在负载下没有应变或应力，因此最适合定位刚性电子元件(图2D,E)。

除了确保刚性模块的保护外，电极的连续运行也同样至关重要。由于磁性连接器固有的固定/释放力，可以实现可靠的故障安全装置，以防止过度拉伸，确保机械和电气连接的紧密配合。我们将磁体集成到基于弹性体模块的两端，使两个相对的隐形电极之间既能实现机械连接，又能实现电接触(图2F)。通过将金属化超薄(1.4流明)聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)箔放置在预拉伸的弹性体上，这些电极具有可拉伸性。释放预应变会使电极形成垂直于拉伸方向的面外褶皱，从而形成一个预应变高达75%的可逆可拉伸系统(图2G)。皱纹的波长用一个屈曲模型估计，可视为厚弹性体基板上有一层坚硬的薄膜层。

将不易察觉的电极拉伸超过先天预应变会导致破裂。直到等于预应变的伸长率，金属电极才会展开并最终变平。在这种情况下，拉伸力主要由弹性体基底的弹性决定，电极的电阻实际上保持恒定(图S1，支持信息)。随着电极应变ε电极的增大，电极变平，同时发生了变硬，并成为总拉伸力的主要贡献者(公式1)

以及

其中εpre是弹性体的预应变，ε是实际应变，Felastomer是弹性体基体的作用力贡献，Felectrode不可感知电极的作用力贡献，总拉伸力为Ftotal和Heaviside阶跃函数为θ。

表面沉积电极的PET薄膜在超过预应变后的延伸和塑性变形，伴随着宏观裂纹引起的电极而失效。因此电极电阻急剧增加。此外，由于弹性体的泊松压缩，垂直于拉伸方向的褶皱开始出现(图2H)。最终，将电极拉伸到PET颈部区域导致电极破裂(图2I)。然而，通过我们的磁连接，我们展示了一种可靠的保护机制，可防止电极过度拉伸，从而为开发更安全和更长期运行的移动健康设备铺平了道路。

考虑到磁力和弹性体的应力-应变特性，断裂点，即磁铁释放的伸长率，被定制以防止难以察觉的电极断裂(图2J)。设计考虑的关键参数是微电极所承受的最大应变。连接器释放时对应的力取决于基底-电极组合的应力-应变关系，应用Felastomer的gent模型，以波导> 80%为预应变，根据公式2建模。对于给定的一组磁体，它们之间的磁力与它们的磁铁间的距离有关，通过有限元建模和仿真演示磁场分布计算得出，PET的摩擦系数为0.2。

图2.拉伸安全磁性连接器的设计过程。A)可伸缩单元的有限元模拟，该单元包括一个RFDuino，该RFDuino由置于通信模块中间的刚性弹性体封装，以及一个由磁铁连接的脉冲传感器模块。B)仿真结果表明，在保持磁铁或电子元件的加强岛处没有应变。C)模拟模块装配演示器。D)装配应力模拟结果。E)应力模拟表明磁岛连接器不需要占用显著的应力量。F)包括微型电极的伸缩安全磁性连接器的概念。连接器的设计是当拉力达到临界点时释放，该临界点设置为低于损害电极所需的力。G)在Ecoflex 00-30基片上的可伸缩铜电极，在其松弛状态下被强磁体夹住，以防折断。H)试样拉伸超过预应变后，褶皱在拉伸方向上变平。此外，泊松压缩导致皱纹垂直于拉伸方向(插图)。试样的拉伸远远超过其预应变，在塑性变形后会导致电极断裂。J)确定试样应变下磁连接可靠释放所需的互磁距离的设计方案。给定弹性体的应力-应变关系和几何形状(蓝色)给出了最大允许应变的最大允许拉力。当磁力等于弹性体的拉力时，接触开始释放，从而可以确定所需的磁铁间距(紫色)。绿色阴影区域标志了设计在30%应变打开的样品的操作范围，对于更高的应变水平，磁力超过了弹性力。K)基板预应变为50%的试样附着在钢板上并拉伸时的拉力和阻力测量，直到终止释放发生。L)试样的归一化电阻在循环拉伸至50%时不释放，在30%应变下释放时循环折断循环。

为了确保可靠的保护机制，磁互连应在低于电极预应变的应变下断开。因此，在选择磁间距离时，磁力要高于弹性力，以达到所要求的释放应变，但对于更高的应变水平，这是不够的，会导致磁连接立即释放。绿色阴影区域标记了样品在30%的应变下释放的区域，所需的互磁距离为1.3 mm。虚线表示确定所需的互磁距离(0.6 mm)的路径，以设计在50%应变释放接头，而不是30%。

pet -铜电极和弹性体衬底的力贡献在一个快速剥离测试中得到了演示，试样表现出50%的预应变(图2K)。在此预应变之前，褶皱是展开的，而拉力(蓝色)是由弹性基体主导的。在此期间，电阻(红色)几乎是恒定的。在50%到53%的应变之间，电极完全扩展，由于PET衬底的贡献，导致力的急剧增加。磁连接器开始滑动分开，导致电极的接触面积减少，同时电阻增加。最终磁性连接器释放，力消失到零，而电阻增加到无穷大。

基于对可靠运行和长寿命的演示，我们开发了mHealth脉冲传感器腕带，它由三个具有不同任务的模块组成。传感器单元具有在柔性印刷电路板上定制的脉冲传感器电路，以测量血液的光学反射(图3)。

它与皮肤接触后，用红外光照射上层皮肤，并通过光电传感器测量反射光。获得的电压信号由动脉、组织和静脉产生的恒定部分和由脉动血液产生的脉动部分所组成。信号被放大了，通过两级有源一阶带通，可以有效地抑制常数贡献和高频噪声(0.7/2.34 Hz时3 dB，增益10000)。

过滤和放大的信号被送入一个10位模拟/数字转换器(ADC)——内嵌在一个高级RISC机器微控制器中。这个控制单元(RFDuino RFD22301)还有一个BLE模块，它将采集到的数据实时传输到手机上，在那里绘制并记录数据。无线数据传输被证明是有利的，因为在移动过程中限制较少，BLE为mHealth应用提供所需的参数。

对于mHealth应用中的连接器的日常使用，数千个伸缩周期的可靠运行是必不可少的。电极和磁连接器的长期性能通过不释放关节的循环拉伸和反复断开实验来演示。因此，试样(50%预应变)在0% - 50%应变之间循环，防止磁接头打开(图2L)。在10000次拉伸循环后，电极电阻仅发生10%的变化，表明硬磁体对电极的长期稳定性没有影响。电极寿命是模拟日常应用的典型寿命周期，通过测量一个设计为在30%应变下开启的磁接头的10000次连接-断开循环来研究电极寿命。在这里，在5000个连接-断开周期后，电阻增加了46%，在10000个周期后增加了160%(图2L)，设备仍然可以工作，没有严重故障。这些可伸缩的连接器每天可关闭和打开5次，最长可工作5年。执行的1万次连接断开周期符合通用串行总线C型连接器的机械要求，使我们的磁连接器更适合移动健康设备。未来的研究方向是将我们的技术与其他传感器方法相结合，如薄膜电子学，结合连接器的小型化，可能诞生一种新型的可重复使用、不引人注目的医疗监测设备，进入用户的日常生活。

与近场通信(NFC)相比，它具有距离更远、功耗更小、芯片面积更小等优点，有利于可伸缩器件的使用。尽管最近在可直接伸缩电路方面的进展很有希望，传统集成电路(ICs)提供的更高的集成密度仍然是有利的。两个模块、传感器和控制单元，都由第三个模块供电，其中包含一个CR927硬币电池，电压为3伏，容量为30毫安(图S2，支持信息)。

蓝牙芯片施加功率消耗是4-12毫安，取决于所需的范围和5毫安是需要的传感器板。因此，整个腕带传感器和BLE模块是由一个现成的硬币电池供电。三个单元(传感器电路、微控制器和硬币电池)的有源元件和磁体嵌入PDMS外壳(约1.9 MPa)，与软Ecoflex表带(约55 kPa)相比，形成刚性区域，承担了变形时的所有应变。

从有源器件到可伸缩电极的电接触是采用导电环氧树脂建立。一旦单元连接好，与手机的通信配对后，每50毫秒读取一次脉冲传感器，将数据传输到手机上执行的Android应用程序，以图表显示并记录(图3B)。为了在真实环境下测试脉冲传感器，一名志愿者在进行体力锻炼时佩戴了腕带。在锻炼前，休息脉搏监测是每分钟77次，随后在3分钟的训练中增加到每分钟107次。休息2分钟后，脉搏恢复到训练前的水平(图3C)。

控制数据点的数量，使24小时的监测很容易实现，而不收集不必要的大量读数，但不牺牲脉冲峰值的清晰可检测性。此外，脉冲信号峰值的强度在背景噪声下很强，可确保正确和清晰地识别所需的数据点。

图3.自主软脉冲传感器腕带演示。A)脉冲传感器单元:腕带使用的三个模块之一。B) mHealth脉冲传感器腕带将采集到的脉冲数据通过BLE传输到智能手机。C) mHealth腕带随时间记录的脉搏信号，显示身体活动的高低阶段。

我们提供可靠和耐用的磁连接器，提供一种有效和容易适用的方式来连接可伸缩电路，展示在一个全功能自主脉冲传感器腕带上。我们的连接器能够运行超过1万个连接和断开循环，并承受1万个拉伸循环，同时通过可控释放机构防止过度拉伸。我们的可伸缩脉冲传感器演示器以即插即用的方式运行，展示了个性化、可穿戴移动医疗应用程序所需的模块化、耐用性和用户友好性。