CN104958073A - 潮气传感器、电子设备、呼吸检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子设备领域，公开了一种潮气传感器、电子设备、呼吸检测系统和方法。本发明中，通过采用对水汽反应灵敏的敏感薄膜材质制作潮气传感器，可以大幅减小响应时间，提升响应幅度，由现有技术中湿度传感器几秒到几分钟的响应时间减少到0.1秒以下，不仅能够测量出环境气体中的湿度(水汽含量)，而且为实时呼吸监测提供了可能。进一步地，在电子设备或呼吸检测系统中采用该潮气传感器，可以实时监测呼吸中的水汽含量，从而监测身体状况，或者为呼吸锻炼提供指导。

Description

潮气传感器、电子设备、呼吸检测系统和方法

技术领域

本发明涉及电子设备领域，特别涉及一种潮气传感器、电子设备、呼吸检测系统和方法。

背景技术

随着科技的发展和社会的进步，人们对口鼻气流与呼吸状态的监测仪器的需求也不断提升。目前用于口鼻气流与呼吸状态监测的传感器主要有四类：第一类基于热敏元件，通过监测口鼻气流的温度变化来监测呼吸状态；第二类基于湿敏元件，通过监测口鼻气流的湿度变化来监测呼吸状态；第三类基于压阻元件和第四类基于压电元件，通过监测口鼻气流的压力变化来监测呼吸状态。在实际应用中，上述方式都存在不足之处。在第一类装置和第二类装置容易受环境温度、湿度影响，对监测环境的稳定性和一致性要求较高。第三类和第四类装置受敏感材料敏感度限制，信号提取难度大，接口电路复杂，设备成本较高，而且传感器需要固定于鼻孔下方或口部，使被测者脸上有明显异物感，使用不舒服。

特别是第二类采用湿敏元件的装置，最常见的就是湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，称为敏感薄膜，当空气中的水蒸气吸附在敏感膜上或渗入敏感薄膜内时，元件的电阻率发生变化，且变化量与水蒸气浓度有一定关系，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用有机高分子薄膜(也称为敏感薄膜)作为电容的介电材料，常用的有机高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯等。当环境湿度发生改变时，介电材料吸收的水汽含量就会改变，其表观的介电常数也就发生了变化，引起其电容量的变化。其电容变化量与相对湿度成正相关。然而，现有的湿度传感器的敏感薄膜材料均无法快速响应，也就无法跟随人体呼气与吸气时鼻孔下气体湿度的变化，无法用于人体呼吸的实时监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种潮气传感器、电子设备、呼吸检测系统和方法，使得潮气传感器在进行水汽含量检测时，能够大大减小响应时间，提高响应速度，可以实时监测水汽含量。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种潮气传感器，该潮气传感器具有用于检测水汽含量的敏感薄膜；所述敏感薄膜的材质为以下任意一种或其两两组合的混合物或三者组合的混合物：

氧化石墨烯、有机高分子聚合物或无机金属氧化物。

本发明的实施方式还提供了一种电子设备，该电子设备上安装有至少一个上述潮气传感器。

本发明的实施方式还提供了一种呼吸检测系统，包含至少一个上述潮气传感器，以及分析模块；

所述潮气传感器用于检测呼气和吸气过程产生的气流中包含的水汽含量；

所述分析模块用于分析所述潮气传感器在一段时间内检测到的水汽含量的变化特征，获得呼吸参数。

本发明的实施方式还提供了一种呼吸检测方法，包含以下步骤：

检测呼气和吸气过程产生的气流中包含的水汽含量；其中，采用上述潮气传感器进行水汽含量的检测；

分析在一段时间内检测到的水汽含量的变化特征，获得呼吸参数。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过采用对水汽反应灵敏的敏感薄膜材质制作潮气传感器，可以使响应时间大大减小，响应幅度提升，将现有技术中湿度传感器几秒到几分钟的响应时间减小到0.1秒以下。其不仅能够测量出环境气体中的湿度(水汽含量)，而且可以实时监测呼吸。进一步地，在电子设备或呼吸检测系统中采用该潮气传感器，可以实时监测呼吸中的水汽含量，从而监测身体状况，或者为呼吸锻炼提供指导。

另外，所述敏感薄膜的材质为氧化石墨烯；

或者，所述敏感薄膜的材质为氧化石墨烯与有机高分子聚合物的混合物；

或者，所述敏感薄膜的材质为氧化石墨烯与无机金属氧化物的混合物；

或者，所述敏感薄膜的材质为氧化石墨烯、有机高分子聚合物与无机金属氧化物的混合物。

敏感薄膜中包含氧化石墨烯，可以使得潮气传感器的响应时间大大减小，响应幅度提升。

另外，所述电子设备具有中央处理器；所述中央处理器用于从所述潮气传感器获取水汽含量，并对水汽含量进行分析。电子设备通过安装潮气传感器，具备了实时检测水汽含量的能力，中央处理器通过对呼出和吸入气体中水汽含量的分析，可以实时监测呼吸状态，从而反应出身体状况。

另外，所述电子设备具有通讯模块；所述通讯模块用于发送所述潮气传感器检测到的水汽含量。电子设备通过安装潮气传感器，具备了实时检测水汽含量的能力，通过通讯模块将检测到的水汽含量发送给具有存储、运算、分析处理能力的终端设备，可以采用具有通讯模块的电子设备和具有存储、运算、分析处理能力的终端设备组成系统实时监测呼吸，从而监测身体状况。

另外，所述电子设备具有麦克风。将潮气传感器和麦克风安装在一起，可以监测水汽的同时记录声音。此声音可以为使用者的话语，也可以为其睡觉时的鼾声。结合这些信息和呼吸状况，电子设备或其与终端设备组成的系统可以进行语音识别或更加详细的分析使用者的身体状况、睡眠质量、健康指标、情绪状态等。

另外，所述呼吸检测系统还具有参数设定模块，以及比对模块；

参数设定模块提供人机交互界面，供用户自行设定呼吸参数，并存储用户设定的呼吸参数；

所述比对模块用于将所述分析模块获取的呼吸参数与所述参数设定模块存储的呼吸参数进行比对，并输出比对结果。用户可以通过参数设定模块自行设定呼吸参数(如呼吸频率、呼气和吸气时间、呼吸模式等)，然后按照设定的参数进行呼吸锻炼，最后比对模块给出比对结果，评价锻炼质量，这为呼吸锻炼提供可行性。

附图说明

图1a为第一实施例中潮气传感器的俯视图；

图1b为第一实施例中潮气传感器的沿图1a中A-A’向的剖面示意图；

图2为第一实施例中潮气传感器中插指状金属电极的俯视图；

图3为第一实施例中潮气传感器中树状金属电极的俯视图；

图4为第一实施例中潮气传感器中具备加热电阻结构的俯视图；

图5为第二实施例中潮气传感器在智能手机上的安装位置示意图；

图6为第二实施例中潮气传感器在耳麦结构上的一种安装位置示意图；

图7为第二实施例中潮气传感器在耳麦结构上的另一种安装位置示意图；

图8为第二实施例中潮气传感器在智能口罩上的安装位置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

在以下各实施方式的描述中，潮气、水汽和湿度具有相似的含义。潮气传感器监测的对象是气体中的水汽含量，也即湿度。但是因为通常的湿度传感器所的检测的一般是相对湿度在100％以下的范围(环境湿度)，那么通常的印象中湿度传感器更倾向于指代一类测量水汽含量的相对湿度在100％以下的传感器。然而呼吸出来的气体的相对湿度很有可能大于100％(水的饱和蒸汽压随着温度的下降而下降，呼出体外后，温度降低，饱和蒸汽压下降，相对湿度上升，很有可能过饱和，超过100％的相对湿度)，因此以下各实施方式中所描述的传感器的测量范围远大于一般所谓的湿度传感器，故使用潮气传感器的这一名称，以作区分。

本发明的第一实施方式涉及一种潮气传感器。该潮气传感器具有用于检测水汽含量的敏感薄膜；所述敏感薄膜的材质为以下任意一种或其两两组合的混合物或三者组合的混合物：氧化石墨烯、有机高分子聚合物或无机金属氧化物。

该潮气传感器的原理是吸附水汽后，两个金属电极之间的敏感薄膜30的物理特性(如电导率、介电常数、介电损耗、电化学特性等)会发生变化，两个金属电极之间的电抗也就发生了变化，通过测试两个金属电极之间的电抗即可反映出出外界环境气体对敏感薄膜30造成的影响。由于潮气传感器中敏感薄膜的材质可以将响应时间减少到0.1秒以下，因此，该潮气传感器在进行水汽含量检测时，能够快速、准确地测量出水汽含量。

值得说明的是，由于氧化石墨烯是二维介电材料，具有极高的比表面积。其微米碎片形成的薄膜具有疏松的多孔结构，因此可以快速与空气交流，迅速达到吸附-脱附平衡，具有很高的响应速度。并且，氧化石墨烯表面有丰富的含氧基团(如羟基、羧基、环氧基等)，对水分子的亲和性较好，因此更容易吸附水分子，产生显著的响应。因此，敏感薄膜采用氧化石墨烯，或者包含氧化石墨烯的混合物，可以使敏感薄膜对水汽含量的反应更灵敏更迅速，其中，敏感薄膜中氧化石墨烯的含量比例越大，响应时间越短；纯氧化石墨烯的性能最优。在实际使用中，可以根据不同响应时间需求灵活配比，在此不一一例举。

请参阅图1a、1b所示，本实施方式的潮气传感器包含：衬底10、金属电极20及敏感薄膜30，其中，金属电极20和敏感薄膜30均形成在衬底10上，敏感薄膜30覆盖金属电极20。金属电极20包括第一金属电极21和第二金属电极22，并且，第一金属电极21和第二金属电极22之间相互隔离。第一金属电极21和第二金属电极22均设有焊盘23，敏感薄膜30暴露出焊盘23；潮气传感器还包括分别与焊盘23相连的键合引线40，键合引线40为铝引线或金引线，从而将潮气传感器连接到外部电路。此外，潮气传感器还包括绝缘层(图未示出)，绝缘层覆盖第一金属电极21和第二金属电极22，绝缘层的材质可以为二氧化硅、三氧化二铝或氮化硅等绝缘材料。形成绝缘层后，在测电容时，可以减小两金属电极之间的漏电，让测试更加准确。

进一步地，可以将敏感薄膜30制作成稀松的多孔状结构，使其具有很大的比表面积，提升其与环境气体接触面积，这有助于水汽的吸附和脱附，从而提高潮气传感器的灵敏度。

在本实施例中，第一金属电极21和第二金属电极22可以为插指状(如图2所示)或树状(如图3所示)，具有多个插指，在有限面积内提升电容量，便于进行电容的量测。本实施方式相对于现有技术而言结构更加简单，只需要两个电极即可，然而基于此却可以进行多种多样的测试，可以测电阻、电容、阻抗、品质因数、相位角等。此外，相较于插指电极，树状电极的插指短小，在制作过程中不易断，工艺上更容易实现，因而可以更进一步降低工艺难度。树状结构的金属电极的插指更加密集，能够提高测试灵敏度。

值得一提的是，本实施方式的潮气传感器内还可形成加热电极结构，可以在潮气传感器使用前及使用后使用加热电极结构对潮气传感器进行加热，使得吸附的水汽更好的脱附，以排出敏感薄膜内的湿气，使敏感薄膜可以恢复得更加充分，从而维持潮气传感器的性能，防止传感器敏感材料老化，延长潮气传感器的使用寿命。具体地说，加热电阻结构可以形成在衬底10的背面，即远离金属电极20一侧的表面上；或者，加热电阻结构可以形成在衬底10和金属电极20之间，并且在加热电阻结构和金属电极20之间形成有绝缘的隔离层，以隔离两者。或者，如图4所示，在第一金属电极21和第二金属电极22之间形成蛇形的加热电阻结构24。加热电阻结构24与金属电极20位于同一层，并且相互隔离，两者采用同一工艺形成，可以在光刻第一金属电极21和第二金属电极22时同时定义此图样，没有增加工艺复杂程度。

值得说明的是，还可以将潮气传感器形成阵列，对潮气传感器阵列中各潮气传感器检测到的水汽含量进行简单分析处理(比如取平均，最大比合并或者选择最大值等)或对其响应特性进行统计分析(比如聚类分析、主成分分析、因子分析、方差分析、模式识别等)，可以得到更准确、更丰富的检测结果。

与现有技术相比，本实施方式通过采用对水汽反应灵敏的敏感薄膜材质，比如，氧化石墨烯；或者氧化石墨烯和有机高分子聚合物的混合物、氧化石墨烯和无机金属氧化物的混合物，或为三者的混合物；其中，有机高分子聚合物可以为聚甲基丙烯酸甲酯或聚偏氟乙烯等，无机金属氧化物为氧化锡、氧化钛或氧化锌等。混合物中各组分可以根据工艺要求进行选择。由于敏感薄膜的材质对水汽反应灵敏，可以使响应时间大大减小，响应幅度提升，由现有技术中湿度传感器几秒到几分钟的响应时间减少到0.1秒以下，不仅能够测量出环境气体中的湿度(水汽含量)，而且可以进行呼吸的实时监测。

本发明的第二实施方式涉及一种电子设备。该电子设备上安装有至少一个如第一实施方式的潮气传感器。本实施方式的电子设备可以是具有数据处理能力的终端，比如，智能手机、平板电脑(PAD)、笔记本电脑、台式计算机或智能手表；也可以是具备通信能力的穿戴式设备，比如类似于耳麦、耳机、手环、智能口罩等的设备。

以智能手机为例进行说明，智能手机具有中央处理器，可用于从潮气传感器获取水汽含量，并对水汽含量进行分析。与现有手机上需预留孔位的装置(比如听筒、麦克风、USB接口、耳机插孔、距离传感器等)类似，在手机上安装潮气传感器时，潮气传感器安装在预留孔位(如图5所示，501为潮气传感器预留孔位，502为麦克风预留孔位)，经过驱动电路，与手机主板上的中央处理器连接即可。其他终端与智能手机类似，设计人员可以根据需求设定在不同的位置，本发明对潮气传感器的安装位置不做特别限定，安装在任何位置的潮气传感器均应在本发明的保护范围之内。

上述智能手机的一种应用是检测人在呼气和吸气的气流中包含的水汽含量。由于呼吸过程中气流包含的水汽含量变化可以反映呼吸的频率、强弱、稳定性等呼吸参数，而呼吸参数可以反映身体状况，因此，通过呼吸过程中的水汽含量变化导致潮气传感器的阻抗变化也就可以反映出身体状况。

上述智能手机的另一种应用是检测人说话过程中产生的气流中包含的水汽含量。由于说话过程中，不同发音，其水汽变化不同，因此说话中不同语音导致潮气传感器的阻抗变化不同，从而可以帮助进行语音识别。在这种情形下，潮气传感器可以安装在智能手机的麦克风附近，以便监测说话时的水汽含量。

以类似耳麦结构的穿戴式设备为例进行说明，该穿戴式设备具有通信模块，该通信模块用于发送潮气传感器检测到的水汽含量。可以是有线传输(类似有线耳麦)，也可以是无线传输(类似无线耳麦)。穿戴式设备可以将检测到的水汽含量发送给具有数据处理能力的终端，以便终端进行数据分析。

值得说明的是，上述穿戴式设备可以采用传感器支架支撑潮气传感器的结构，比如说，可以在现有的耳麦上增加一个类似话筒支架的传感器支架，将潮气传感器安装在该传感器支架的末端(如图6所示，在601和602位置分别安装麦克风和潮气传感器)；也可以直接将潮气传感器安装在话筒支架的末端，与话筒(或者麦克风)并排放置(如图7所示，在701位置并排安装麦克风和潮气传感器)。但此处只是举例说明，本发明不应以这里所说的安装位置为限，设计人员可以根据需求灵活设定位置，任何具有潮气传感器和通信能力的电子设备均应在本发明的保护范围之内。

以类似口罩结构的穿戴式设备为例进行说明，该穿戴式设备具有通信模块，该通信模块用于发送潮气传感器检测到的水汽含量。可以是有线传输，也可以是无线传输(通过蓝牙、ZigBee等相关模块)。穿戴式设备可以将检测到的水汽含量发送给具有数据处理能力的终端，以便终端进行数据分析。

比如说，如图8所示，该穿戴式设备以口罩801为机械框架，将潮气802传感器安装在口罩的中部，这样呼吸的气体可以被传感器检测到。并且，口罩形成了一个相对封闭的小环境，可以减少外界条件不稳定的干扰(如大风、下雨等的影响)，让测量更加准确、让设备更具鲁棒性。口罩中在合适的部位设有控制器和发送模块(比如803所示)，可以将采集得到的信号发送给具有数据处理能力的终端，以便终端进行数据分析。因此该口罩可以称为智能口罩。但此处只是举例说明，本发明不应以这里所说的安装位置为限，设计人员可以根据需求灵活设定位置，任何具有潮气传感器和通信能力的电子设备均应在本发明的保护范围之内。

本实施方式的电子设备通过安装潮气传感器，具备了实时检测水汽含量的能力，可以使电子设备实时监测呼吸，从而监测身体状况。

此外，该电子设备可以同时设有麦克风，监测水汽的同时记录声音。此声音可以为使用者的话语，也可以为其睡觉时的鼾声。结合这些信息和呼吸状况，电子设备或其与终端设备组成的系统可以进行语音识别或更加详细的分析使用者的身体状况、睡眠质量、健康指标、情绪状态等。

本发明第三实施方式涉及一种呼吸检测系统。该呼吸检测系统包含至少一个第一实施方式的潮气传感器，以及分析模块。其中，潮气传感器用于检测呼气和吸气过程产生的气流中包含的水汽含量，分析模块用于分析潮气传感器在一段时间内检测到的水汽含量的变化特征，获得呼吸参数。

比如说，分析模块可以位于智能手机内，也就是说，智能手机可以检测呼吸过程中的水汽含量，并对水汽含量进行分析，从而获得呼吸参数(比如呼吸频率，呼吸强度，呼吸稳定程度、呼吸比等)。将这些参数以及呼吸的波形显示出来，可以为身体状况的监测提供部分支持。

本实施方式的一种应用场景是，可以在智能手机中安装呼吸锻炼软件，该软件可以允许用户自行设定呼吸参数。本实施方式的呼吸检测系统实时监测呼气和吸气过程中产生的水汽含量，对水汽含量进行分析，从而获得呼吸参数，将获得的呼吸参数与用户自行设定的呼吸参数进行比对，可分析记录的此段呼吸与用户想要达到的呼吸的一致程度，并告知用户，达到指导用户锻炼呼吸的目的。比如，实际测到的呼吸频率大于用户设定的呼吸频率，则指导用户放慢呼吸；或者呼吸深度小于用户设定的呼吸深度，则指导用户深呼吸。在这种应用场景，本实施方式的呼吸检测系统还具有参数设定模块以及比对模块；其中，参数设定模块提供人机交互界面，供用户自行设定呼吸参数，并接收存储用户设定的呼吸参数；比对模块用于将分析模块获取的呼吸参数与参数设定模块存储的呼吸参数进行比对，并输出比对结果。

上述举例说明只是为了方便理解，本发明不应以上述举例说明为限制，只要包含潮气传感器和分析模块的呼吸检测系统均应在本发明的保护范围之内，不应将潮气传感器和分析模块的具体位置和具体连接方式限定在上述举例说明中。

本发明第四实施方式涉及一种呼吸检测方法。该方法先采用如第一实施方式的潮气传感器进行水汽含量的检测，检测呼气和吸气过程产生的气流中包含的水汽含量，接着分析在一段时间内检测到的水汽含量的变化特征，获得呼吸参数。在获得呼吸参数之后，还可以将获取的呼吸参数与预先设定并存储的呼吸参数进行比对，并输出比对结果。

不难发现，本实施方式为与第三实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第三实施方式互相配合实施。第三实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第三实施方式中。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种潮气传感器，其特征在于，所述潮气传感器具有用于检测水汽含量的敏感薄膜；所述敏感薄膜的材质为以下任意一种或其两两组合的混合物或三者组合的混合物：

氧化石墨烯、有机高分子聚合物或无机金属氧化物。

2.根据权利要求1所述的潮气传感器，其特征在于，所述敏感薄膜的材质为氧化石墨烯；

或者，所述敏感薄膜的材质为氧化石墨烯与有机高分子聚合物的混合物；

或者，所述敏感薄膜的材质为氧化石墨烯与无机金属氧化物的混合物；

或者，所述敏感薄膜的材质为氧化石墨烯、有机高分子聚合物与无机金属氧化物的混合物。

3.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备上安装有至少一个如权利要求1或2中所述的潮气传感器。

4.根据权利要求3所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备具有中央处理器；

所述中央处理器用于从所述潮气传感器获取水汽含量，并对水汽含量进行分析。

5.根据权利要求3所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备具有通讯模块；

所述通讯模块用于发送所述潮气传感器检测到的水汽含量。

6.根据权利要求3所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备具有麦克风。

7.一种呼吸检测系统，其特征在于，包含至少一个如权利要求1或2中所述的潮气传感器，以及分析模块；

所述潮气传感器用于检测呼气和吸气过程产生的气流中包含的水汽含量；

所述分析模块用于分析所述潮气传感器在一段时间内检测到的水汽含量的变化特征，获得呼吸参数。

8.根据权利要求7所述的呼吸检测系统，其特征在于，所述呼吸检测系统还具有参数设定模块，以及比对模块；

参数设定模块提供人机交互界面，供用户自行设定呼吸参数，并存储用户设定的呼吸参数；

所述比对模块用于将所述分析模块获取的呼吸参数与所述参数设定模块存储的呼吸参数进行比对，并输出比对结果。

9.一种呼吸检测方法，其特征在于，包含以下步骤：

检测呼气和吸气过程产生的气流中包含的水汽含量；其中，采用如权利要求1或2中所述的潮气传感器进行水汽含量的检测；

分析在一段时间内检测到的水汽含量的变化特征，获得呼吸参数。

10.根据权利要求9所述的呼吸检测方法，其特征在于，在获得呼吸参数的步骤之后，还包含以下步骤：

将获取的呼吸参数与预先设定并存储的呼吸参数进行比对，并输出比对结果。