CN104458886A - 一种纳米呼吸传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米呼吸传感器及其制备方法，属传感器技术领域。本发明包括敏感单元和恒压传感电路，敏感单元微电极对的一端接入恒压电源，另一端接入放大器，电流放大后经模拟/数字转换器接入单片机，信号经处理后可由存储器进行存储，并由液晶显示器显示。当呼吸气流通过氧化锌纳米线时，氧化锌的电导发生变化，可用于监测不同呼吸频率和强度的纳米呼吸传感器，并对异常呼吸进行声光报警。本发明具有如下的有益效果：器件结构简单，制备成本低，可批量生产；工作电压低、功耗小、安全可靠；响应速度快、灵敏度高、抗干扰能力强.与人体完全非接触，使用舒适度高。

Description

一种纳米呼吸传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种传感器技术领域的器件及其制备方法，具体地说，是涉及一种纳米呼吸传感器及其制备方法。

背景技术

呼吸异常是许多突发疾病的先兆，因此，对异常呼吸的监测在医学上具有重要意义。目前用于呼吸监测的传感器主要有热敏式、压差式和压电式等，其中，热敏式传感器通过呼吸引起的温度变化获得呼吸信号，易受环境温度影响；压差式传感器通过气压变化获得信号，要求使用者佩戴口罩，舒适度较差；压电式传感器受敏感材料敏感度限制，体积较大，成本高。现有呼吸传感器结构复杂，不利于一次性使用，消毒程序繁琐。随着家庭护理概念的日益普及，急需一种小型化、低成本的便携式呼吸传感器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处，提供一种纳米呼吸传感器。本发明利用氧化锌纳米线的表面效应，当呼吸气流通过氧化锌纳米线时，氧化锌的电导发生变化，根据测量的电流曲线变化，从而监测不同频率和强度的呼吸状况。

本发明是以如下技术方案实现的：一种纳米呼吸传感器，其包括敏感单元、恒压电源、放大器、模拟/数字转换器、单片机、液晶显示器、存储器和报警装置；敏感单元的一端接入恒压电源，另一端接入放大器，电流放大后经模拟/数字转换器接入单片机，信号经处理后可由存储器进行存储，并由液晶显示器进行显示，并可通过报警装置对异常信号进行报警；其中敏感单元包括衬底、分布在衬底上的微电极对和搭接在微电极对间的敏感元件氧化锌纳米线，敏感元件与微电极对之间形成牢固可靠的低电阻接触。

恒压电源的输出电压为1-3伏。

报警装置为声光报警，由蜂鸣器和二极管组成。

敏感单元的微电极对间距为100-5000纳米，电极高度为50-1000纳米，电极材料选自金、铂、钛、铜、铝中的一种。

敏感单元的氧化锌纳米线的直径为10-500纳米，长度为100-6000纳米。

纳米呼吸传感器的制备方法包括：

步骤一，用微加工方法制备微电极对；

步骤二，用电泳方法在微电极对间定向组装氧化锌纳米线；

步骤三，用高频超声波能量键合微电极对上的氧化锌纳米线，使其与微电极间形成可靠的低电阻接触，从而形成敏感单元；

步骤四，通过模拟电路形成电源和放大器，通过数字电路和单片机形成模拟/数字转换、液晶显示器、存储和报警装置；

步骤五，敏感单元输出的电流信号经过运算放大器电路处理，转换为电压信号，被模拟/数字转换器采集并转化为数字信号，最终由单片机进行处理；

经过上述步骤，当呼吸气流通过氧化锌纳米线时，氧化锌的电导发生变化，根据液晶显示器显示的电流曲线变化和报警装置对异常信号的报警，即可得到用于监测不同呼吸频率和强度的纳米呼吸传感器。

步骤二中，电泳电压采用交流电，频率为10³-10⁷赫兹，电压峰峰值为1-30伏，电泳液选自去离子水、乙醇、丙酮、乙二醇、异丙醇中的一种或两种混合。

步骤三中，所述高频超声波通过焊头作用在氧化锌纳米线与微电极对间的接触面，超声波频率为10⁵赫兹，功率为1-1000瓦，焊头振幅为10-1000纳米，氧化锌纳米线与电极材料发生原子的互扩散而形成牢固可靠的低电阻接触。

附图说明

图1是本发明所涉及的一种纳米呼吸传感器的结构示意图。

图2是本发明所述电泳法制备的纳米呼吸传感器的扫描电子显微镜图。

图3是本发明所述的纳米呼吸传感器测试正常呼吸的电流曲线。

图4是本发明所述的纳米呼吸传感器测试非正常呼吸的电流曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1、

一种纳米呼吸传感器，其包括敏感单元1、恒压电源2、放大器3、模拟/数字转换器4、单片机5、液晶显示器6、存储器7和报警装置8；敏感单元1的一端接入恒压电源2，另一端接入放大器3，电流放大后经模拟/数字转换器4接入单片机5，信号经处理后可由存储器7进行存储，并由液晶显示器6进行显示，并可通过报警装置8对异常信号进行报警；其中敏感单元1包括衬底9、分布在衬底上的微电极对10和搭接在微电极对间的敏感元件氧化锌纳米线11，敏感元件与微电极对之间形成牢固可靠的低电阻接触；制备方法包括：

步骤一，利用Lift-off微加工方法在硅片衬底上制备微电极对。首先在硅片上干氧氧化一层二氧化硅绝缘层，将硅片在180℃下烘烤3小时；甩第一层lift-off专用胶，在200℃烘片30分钟；甩第二层胶，在90℃烘片30分钟；曝光20秒，显影23秒。然后在图形化的硅片上溅射沉积金。最后在二甲亚砜中浸泡，超声，去掉光刻胶及其上多余的金属，得到图形化的微电极对，电极间距为500纳米，高度为50纳米。

步骤二，用电泳方法在微电极对间组装氧化锌纳米线，使氧化锌纳米线定向搭接在电极之间，并通过溶液浓度、电泳电压、频率等参数控制搭接在电极间的纳米线数目。交流电压峰峰值为1伏，频率为10⁶赫兹；将直径为150纳米、长度为4000纳米的氧化锌纳米线分散到异丙醇和去离子水的混合溶液中作为电泳液；在微电极对间滴加一滴电泳液，溶液蒸发后可使一根氧化锌纳米线定向组装在电极之间，如图2所示。

步骤三，用高频超声波能量键合搭接后的氧化锌纳米线。施加在焊接机焊头上的超声频率为10⁵赫兹，功率为1瓦，焊头振幅为100纳米；在超声能量的作用，氧化锌纳米线与金属电极的接触处发生原子的互扩散，从而使氧化锌纳米线牢固焊接在微电极上，形成可靠的电学接触。

步骤四，通过模拟电路形成电源和放大器，通过数字电路和单片机形成模拟/数字转换、液晶显示器、存储和报警装置。

步骤五，敏感单元接入1伏电源，输出的电流信号经过基于运算放大器的电流/电压转换放大器，经模拟/数字转换器接入单片机，单片机对信号进行幅值解调，并利用自身内部资源编写存储器和液晶显示器模块，进行数据存储和显示。

经过上述步骤，当呼吸气流通过氧化锌纳米线时，由于表面的吸附作用，氧化锌的表面电导率发生变化，在一定的电压下，电流随着呼吸气流的变化而变化，根据测量的电流曲线，可以得到用于监测正常呼吸频率和强度的纳米呼吸传感器，液晶显示器显示曲线如图3所示。

实施例2、

一种纳米呼吸传感器，其包括敏感单元1、恒压电源2、放大器3、模拟/数字转换器4、单片机5、液晶显示器6、存储器7和报警装置8；敏感单元1的一端接入恒压电源2，另一端接入放大器3，电流放大后经模拟/数字转换器4接入单片机5，信号经处理后可由存储器7进行存储，并由液晶显示器6进行显示，并可通过报警装置8对异常信号进行报警；其中敏感单元1包括衬底9、分布在衬底上的微电极对10和搭接在微电极对间的敏感元件氧化锌纳米线11，敏感元件与微电极对之间形成牢固可靠的低电阻接触；制备方法包括：

步骤一，利用常规微加工方法在玻璃衬底上制备微电极对。首先在清洗后的玻璃片上电子束蒸发一层金属铂，然后涂覆光刻胶，进行曝光、显影，最后湿法腐蚀掉多余金属层，去胶后获得间距为2500纳米，高度为500纳米的铂微电极对。

步骤二，用电泳方法在微电极对间定向组装氧化锌纳米线，交流电压峰峰值为15伏，频率为10⁵赫兹；将直径为250纳米、长度为3000纳米的氧化锌纳米线分散到乙醇溶液中作为电泳液；在微电极对间滴加一滴电泳液，溶液蒸发后可使多根氧化锌纳米线定向搭接在电极之间。

步骤三，用高频超声波能量键合搭接后的氧化锌纳米线，超声频率为10⁵赫兹，功率为500瓦，焊头振幅为600纳米，在此超声能量作用下，使得氧化锌纳米线与金属电极形成可靠的电学接触。

步骤四，通过模拟电路形成电源和放大器，通过数字电路和单片机形成模拟/数字转换、液晶显示器、存储和报警装置。

步骤五，敏感单元接入1.5伏电源，输出的电流信号经过基于运算放大器的电流/电压转换放大器，经模拟/数字转换器接入单片机，单片机对信号进行幅值解调，并利用自身内部资源编写存储器和液晶显示器模块，进行数据存储和显示。

经过上述步骤，当呼吸气流通过氧化锌纳米线时，由于表面的吸附作用，氧化锌的表面电导率发生变化，在一定的电压下，电流随着呼吸气流的变化而变化，根据测量的电流曲线，可以得到用于监测不同呼吸频率和强度的纳米呼吸传感器，液晶显示器显示高频高强度和低频低强度的呼吸曲线如图4所示，并通过报警装置进行声光报警。

实施例3、

一种纳米呼吸传感器，其包括敏感单元1、恒压电源2、放大器3、模拟/数字转换器4、单片机5、液晶显示器6、存储器7和报警装置8；敏感单元1的一端接入恒压电源2，另一端接入放大器3，电流放大后经模拟/数字转换器4接入单片机5，信号经处理后可由存储器7进行存储，并由液晶显示器6进行显示，并可通过报警装置8对异常信号进行报警；其中敏感单元1包括衬底9、分布在衬底上的微电极对10和搭接在微电极对间的敏感元件氧化锌纳米线11，敏感元件与微电极对之间形成牢固可靠的低电阻接触；制备方法包括：

步骤一，利用微加工方法在氧化铝衬底上制备间距为4500纳米，高度为1000纳米的微电极对，电极材料采用铜；

步骤二，用电泳方法在微电极对间定向组装氧化锌纳米线，交流电压峰峰值为30伏，频率为10⁷赫兹；将直径为500纳米、长度为6000纳米的氧化锌纳米线分散到乙二醇与丙酮的混合溶液中作为电泳液；在微电极对间滴加一滴电泳液，溶液蒸发后可使氧化锌纳米线定向搭接在电极之间。

步骤三，用高频超声波能量键合搭接后的氧化锌纳米线，超声频率为10⁵赫兹，功率为1000瓦，焊头振幅为1000纳米，在此超声能量作用下，使得氧化锌纳米线与金属电极形成可靠的电学接触。

步骤四，通过模拟电路形成电源和放大器，通过数字电路和单片机形成模拟/数字转换、液晶显示器、存储和报警装置。

步骤五，敏感单元接入3伏电源，输出的电流信号经过基于运算放大器的电流/电压转换放大器，经模拟/数字转换器接入单片机，单片机对信号进行幅值解调，并利用自身内部资源编写存储器和液晶显示器模块，进行数据存储和显示。

经过上述步骤，可以得到用于监测不同呼吸频率和强度的纳米呼吸传感器，并对异常呼吸信号进行报警。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：(1)器件结构简单，体积小，制备成本低，可批量生产；(2)工作电压低、功耗小、安全可靠；(3)响应速度快、灵敏度高、抗干扰能力强、与人体完全非接触，使用舒适度高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纳米呼吸传感器，其包括敏感单元(1)、恒压电源(2)、放大器(3)、模拟/数字转换器(4)、单片机(5)、液晶显示器(6)、存储器(7)和报警装置(8)；敏感单元(1)的一端接入恒压电源(2)，另一端接入放大器(3)，电流放大后经模拟/数字转换器(4)接入单片机(5)，信号经处理后可由存储器(7)进行存储，并由液晶显示器(6)进行显示，并可通过报警装置(8)对异常信号进行报警；其中敏感单元(1)包括衬底(9)、分布在衬底上的微电极对(10)和搭接在微电极对间的敏感元件氧化锌纳米线(11)，敏感元件与微电极对之间形成牢固可靠的低电阻接触。

2.根据权利要求1所述的一种纳米呼吸传感器，其特征是：所述恒压电源的输出电压为1-3伏。

3.根据权利要求1所述的一种纳米呼吸传感器，其特征是：所述报警装置为声光报警，由蜂鸣器和二极管组成。

4.根据权利要求1所述的一种纳米呼吸传感器，其特征是：所述敏感单元的微电极对间距为100-5000纳米，电极高度为50-1000纳米，电极材料选自金、铂、钛、铜、铝中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种纳米呼吸传感器，其特征是：所述敏感单元的氧化锌纳米线的直径为10-500纳米，长度为100-6000纳米。

6.根据权利要求1-5之一所述的纳米呼吸传感器的制备方法，其包括：

步骤一，用微加工方法制备微电极对；

步骤二，用电泳方法在微电极对间定向组装氧化锌纳米线；

步骤三，用高频超声波能量键合微电极对上的氧化锌纳米线，使其与微电极间形成可靠的低电阻接触，从而形成敏感单元；

步骤四，通过模拟电路形成电源和放大器，通过数字电路和单片机形成模拟/数字转换、液晶显示器、存储和报警装置；

步骤五，敏感单元输出的电流信号经过运算放大器电路处理，转换为电压信号，被模拟/数字转换器采集并转化为数字信号，最终由单片机进行处理；

经过上述步骤，当呼吸气流通过氧化锌纳米线时，氧化锌的电导发生变化，根据液晶显示器显示的电流曲线变化和报警装置对异常信号的报警，即可得到用于监测不同呼吸频率和强度的纳米呼吸传感器。

7.根据权利要求6所述的纳米呼吸传感器的制备方法，其特征是：步骤二中，电泳电压采用交流电，频率为10³-10⁷赫兹，电压峰峰值为1-30伏，电泳液选自去离子水、乙醇、丙酮、乙二醇、异丙醇中的一种或两种混合。

8.根据权利要求6所述的纳米呼吸传感器的制备方法，其特征是：步骤三中，所述高频超声波通过焊头作用在氧化锌纳米线与微电极对间的接触面，超声波频率为10⁵赫兹，功率为1-1000瓦，焊头振幅为10-1000纳米，氧化锌纳米线与电极材料发生原子的互扩散而形成牢固可靠的低电阻接触。