CN106725490A - 一种湿度传感器及应用该湿度传感器的呼吸检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种湿度传感器及应用该湿度传感器的呼吸检测系统，该湿度传感器包括敏感薄膜和导电电极均设于基底上，并且敏感薄膜表面设有一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团；两个导电电极分别与敏感薄膜电连接，并且两个导电电极与敏感薄膜的连接点之间的对水分子敏感的官能团存在浓度差。该呼吸检测系统包括信号处理模块获取湿度传感器采集的呼吸时电信号，并进行初步信号处理后传输到微处理器；微处理器通过无线通信模块发送给移动终端模块；移动终端模块从中获得呼吸状况信息反馈给用户。本发明不仅可以有效监测湿度的大小变化，而且具有良好的工作稳定性和检测精度，不易受人体行动的干扰，佩戴舒适，十分适用于实时监测呼吸频率和呼吸强度。

Description

一种湿度传感器及应用该湿度传感器的呼吸检测系统
技术领域
本发明涉及湿度传感技术领域，尤其涉及一种湿度传感器及应用该湿度传感器的呼吸检测系统。
背景技术
呼吸频率是人体生命体征中的一项重要生理参数。获取呼吸频率和呼吸方式(例如：测量速率、呼吸深度、振幅等)等信息可以用于医疗诊断以及人体健康评估。传统的呼吸频率测量方法是将鼻氧管深入鼻腔内，再通过管道内气压的变化来检测呼吸频率，但这种方法会使被测者鼻腔内有明显异物感，佩戴不适。近年来出现了采用传感器进行呼吸频率测量的方法，但现有的用于呼吸监测的传感器都存在着不同的缺点和不足，例如：温差传感器和声波传感器在进行呼吸频率测量时需要将相应传感器贴于或架在鼻腔气流方向上，易受环境影响、信号提取难度大；压电传感器和压阻传感器在进行呼吸频率测量时需要在受测者的胸部绑上一条弹性带，检测呼吸时胸腔的起伏来获取呼吸信号，易受人体行动的干扰，影响监测精度。此外，新型的呼吸监测系统还开始使用一种湿度传感器，人体呼吸气体相对湿度等于或大于100％，这种湿度传感器就是利用人体呼吸过程中的湿度变化来检测呼吸频率，它具有结构简单、灵敏度高、线性程度好、可重复使用、环境影响较少等优点。
湿度传感器的主要部分是一层对水汽感应特别敏感的敏感薄膜。现有的湿度传感器主要有电阻式和电容式两种，即通过测量不同湿度条件下的敏感薄膜接触到不同含量的水分子时，产生的电阻率或者介电常数的变化来判定湿度的大小。这两种湿度传感器都需要将敏感薄膜工作在一定强度电场环境下，但一些类似于氧化石墨烯等处于亚稳态的湿敏材料，如果工作在电场环境下，会加速还原过程，这将严重的影响湿度传感器的长期稳定性。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种湿度传感器及应用该湿度传感器的呼吸检测系统，不仅可以有效监测湿度大小变化，而且具有良好的工作稳定性和检测精度，不易受人体行动干扰，佩戴舒适，十分适用于实时监测呼吸频率和呼吸强度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种湿度传感器，包括：基底、敏感薄膜和两个导电电极；敏感薄膜和两个导电电极均设于基底上，并且敏感薄膜表面含有一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团；两个导电电极分别与敏感薄膜电连接，并且两个导电电极与敏感薄膜的连接点之间的对水分子敏感的官能团存在浓度差。
优选地，所述的敏感薄膜采用有机高分子半导体材料、金属氧化物材料或无机碳材料中的至少一种制成。
优选地，采用外加电场极化、喷墨印刷不同厚度梯度的薄膜中的至少一种处理方式在敏感薄膜表面制成一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团；其中，所述外加电场极化的方式包括：将在相对湿度为55％～98％的条件下，将两个导电电极外接直流电源，该直流电源的电压为0.1～10V,处理时间为0.5～30min,从而在敏感薄膜表面制成一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团；所述的喷墨印刷不同厚度梯度的薄膜的方式包括：采用喷墨打印从一个导电电极到另一个导电电极印刷一层厚度梯度递增或厚度梯度递减的对水分子敏感的官能团薄膜，并且这两个导电电极与该官能团薄膜的连接点之间的对水分子敏感的官能团存在浓度差,从而即可在敏感薄膜表面制成一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团。
优选地，所述的导电电极为金属电极、碳电极或高分子电极中的至少一种。
优选地，所述的敏感薄膜的长度、宽度、厚度均为纳米级至厘米级。
优选地，所述敏感薄膜采用喷墨印刷、喷涂、刮涂、激光刻蚀或卷对卷技术制成。
一种呼吸检测系统，包括：信号处理模块、微处理器、无线通信模块、电源、移动终端模块以及至少一个上述技术方案中所述的湿度传感器；信号处理模块获取湿度传感器采集的呼吸时电信号，并进行初步信号处理后传输到微处理器；微处理器对初步信号处理后的呼吸时电信号进行二次信号处理，并通过无线通信模块发送给移动终端模块；移动终端模块接收二次信号处理后的呼吸时电信号，并对其进行分析处理获取呼吸状况监测数据，再将该呼吸状况监测数据反馈给用户；电源分别与信号处理模块和微处理器连接，用于为信号处理模块和微处理器供电。
优选地，所述的湿度传感器架设在呼吸气流的运动路线上。
优选地，所述的初步信号处理包括信号放大处理、滤波降噪处理或模数转换处理中的至少一种。
优选地，还包括：服务器；所述的移动终端模块将所述的呼吸状况监测数据发送给服务器；服务器接收所述的呼吸状况监测数据，并进行存储、医学分析和诊断，以为用户提供监测和防护。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的湿度传感器采用了由有机高分子半导体材料、金属氧化物材料或无机碳材料中的至少一种材料制成的敏感薄膜，并且在敏感薄膜表面设有一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团，因此当敏感薄膜接触到含水分子的气流时，敏感薄膜表面的对水分子敏感的官能团会吸附水分子，并电离出正电荷，形成梯度分布的正电荷排列，在自发电场的作用下，两个具有官能团浓度差的导电电极之间就会产生定向的电信号，从而通过测试两个导电电极之间的电信号即可反映出外界环境气流中水份的含量。同时，由于采用有机高分子半导体材料、金属氧化物材料或无机碳材料中的至少一种制成的敏感薄膜具有疏松多孔的微结构，可以快速的吸附和脱附水分子，达到对湿度变化的快速响应，因此该湿度传感器可以高效、准确进行呼吸监测。由此可见，本发明实施例提供的湿度传感器和呼吸检测系统不仅可以有效监测湿度大小变化，而且具有良好的工作稳定性和检测精度，不易受人体行动干扰，佩戴舒适，十分适用于实时监测呼吸频率和呼吸强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供湿度传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例提供湿度传感器的性能示意图。
图3为本发明实施例提供呼吸检测系统的结构示意图一。
图4为本发明实施例提供呼吸检测系统的结构示意图二。
图5为本发明实施例提供呼吸检测系统的性能示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面对本发明中的湿度传感器及应用该湿度传感器的呼吸检测系统进行详细描述。
(一)一种湿度传感器
如图1和图2所示，一种湿度传感器，其具体结构包括：基底、敏感薄膜和两个导电电极；敏感薄膜和两个导电电极均设于基底上，并且敏感薄膜表面设有一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团；两个导电电极分别与敏感薄膜电连接，并且两个导电电极与敏感薄膜的连接点之间的对水分子敏感的官能团存在浓度差。
其中，该湿度传感器的各部件可以包括以下具体实施方案：
(1)所述的基底可以采用现有技术中的柔性衬底或者刚性衬底。
(2)所述的导电电极可以为金属电极、碳电极或高分子导电电极中的至少一种，从而该导电电极所检测到的信号可以为敏感薄膜自发极化产生的电压、电流或其他类似电信号中的一种或多种。
(3)所述的敏感薄膜可以采用有机高分子半导体材料、金属氧化物材料或无机碳材料中的至少一种作为原料，并且可以采用现有技术中的喷墨印刷、喷涂、刮涂、激光刻蚀、卷对卷技术或者其他制备薄膜技术制备而成。在实际应用中，敏感薄膜的长度、宽度、厚度均为纳米级至厘米级，并且敏感薄膜的外观形状可以为条形、插指状、蛇形等各种形状。
(4)敏感薄膜的表面可以采用外加电场极化、喷墨印刷不同厚度梯度的薄膜中的至少一种处理方式在敏感薄膜表面制成一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团。所述的外加电场极化方式是指在相对湿度为55％～98％)的条件下，将两个导电电极外接直流电源，该直流电源的电压为0.1～10V,处理时间为0.5～30min,从而即可在敏感薄膜表面制成一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团。所述的喷墨印刷不同厚度梯度的薄膜是指采用喷墨打印从一个导电电极到另一个导电电极印刷一层厚度梯度递增或厚度梯度递减的对水分子敏感的官能团薄膜，并且这两个导电电极与该官能团薄膜的连接点之间的对水分子敏感的官能团存在浓度差,从而即可在敏感薄膜表面制成一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团；其中，该薄膜厚度的梯度为从几十纳米到几个微米。
具体地，该湿度传感器的原理是：由于敏感薄膜表面设有一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团，因此当敏感薄膜接触到含有水分子的气流时，敏感薄膜表面的对水分子敏感的官能团会吸附水分子，并电离出正电荷，形成梯度分布的正电荷排列，在自发电场的作用下，两个具有官能团浓度差的导电电极之间就会产生定向的电信号(也就是说，所述敏感薄膜可以自发极化产生电信号)，从而通过测试两个导电电极之间的电信号即可反映出外界环境气流中水份的含量。由于采用有机高分子半导体材料、金属氧化物材料或无机碳材料中的至少一种制成的敏感薄膜具有疏松多孔的微结构，可以快速的吸附和脱附水分子，达到对湿度变化的快速响应，因此该湿度传感器可以高效、准确进行呼吸监测。
进一步地，敏感薄膜自发极化产生的电信号与敏感薄膜的三维尺寸(即长度、宽度、厚度)及敏感薄膜表面微观形态紧密相关，不同三维尺寸的敏感薄膜会产生不同强度的电信号，因此在实际应用中，敏感薄膜的三维尺寸可根据实际需要灵活调整，以达到各条件(性能、成本、工艺)的平衡。此外，通过调节两个导电电极的形状可以调整在单位面积上有效敏感薄膜的敏感面积，调整敏感薄膜与水分子接触的有效面积，因此两个导电电极的形状也可以根据实际需要灵活调整。也就是说，该湿度传感器的整体形状和尺寸可以根据实际需要灵活调整。
(二)一种呼吸检测系统
如图3、图4和图5所示，一种呼吸检测系统，其具体结构包括：信号处理模块、微处理器、无线通信模块、电源、移动终端模块以及至少一个上述技术方案中所述的湿度传感器；信号处理模块获取湿度传感器采集的呼吸时电信号，并进行初步信号处理后传输到微处理器；微处理器对初步信号处理后的呼吸时电信号进行二次信号处理，并通过无线通信模块发送给移动终端模块；移动终端模块接收二次信号处理后的呼吸时电信号，并对其进行分析处理获取呼吸状况监测数据，再将该呼吸状况监测数据反馈给用户；电源分别与信号处理模块和微处理器连接，用于为信号处理模块和微处理器供电。
其中，该呼吸检测系统的各部件可以包括以下具体实施方案：
(1)湿度传感器可以架设在呼吸气流的运动路线上，这可以使湿度传感器的敏感薄膜能够与呼吸气流中的水分子有效接触，从而可以将人体一呼一吸间的湿度变化转换为反映呼吸频率的呼吸时电信号。
(2)信号处理模块的初步信号处理可以包括信号放大处理、滤波降噪处理或模数转换处理中的至少一种，还可以包括现有技术中其他类似信号整流除杂的功能。
(3)微处理器的二次信号处理主要是将初步信号处理后的呼吸时电信号处理成适合无线通信模块的电信号。
(4)无线通信模块可采用ZigBee、蓝牙(Bluetooth)、红外(IrDA)、无线局域网(Wi-Fi)、新型RFID技术或短距离通信(NFC)中的至少一种进行无线通信。
(5)移动终端模块的分析处理主要是以波形特征分析为基础，并结合现有技术中模式识别、信号分析等信号处理技术对二次信号处理后的呼吸时电信号中所包含的呼吸参数(例如：所述的呼吸参数可以包括呼吸频率)以及不同呼吸参数所对应的人体生理特征进行准确的分析处理，从而可以得到呼吸状况监测数据(例如：所述的呼吸状况监测数据可以包括呼吸频率、呼吸频率的周期变化、该呼吸频率所对应的身体健康状况、该呼吸频率可能存在的疾病等现有呼吸检测系统的常见呼吸状况监测数据)。移动终端模块将呼吸状况监测数据显示给用户，并能进行危险报警，从而可以为用户提供实时的数据分析、显示、提醒等个人服务。在实际应用中，所述移动终端模块可以为具有所述功能的独立硬件设备，也可以是安装于智能手机、平板电脑、智能手表等现有移动终端中的软件，并且该移动终端模块的无线通信、数据显示和语音报警都可以通过现有移动终端的已有功能来实现。
(6)该呼吸检测系统还可以包括服务器；移动终端模块可以将所述的呼吸状况监测数据发送给服务器；服务器可以接收所述的呼吸状况监测数据，并进行存储、医学分析和诊断，以为用户提供监测和防护。医护人员可以随时随地访问该服务器，获得病人的呼吸状况监测数据，并进行进一步的医学分析和诊断。
(7)该呼吸检测系统中的信号处理模块、微处理器、无线通信模块和电源可以设置成在一起，形成一个独立的中央处理器。
(8)该呼吸检测系统可以实时监测人体呼吸频率，也可以非实时的运行。
具体地，该呼吸检测系统实现了人性化的操作设计、便携式的外观设计，使个人对呼吸等生理状况监控变得轻松高效，还采用了无线数据传输设计，并兼容各种个人电子消费产品，便于远程离线监控。同时，该呼吸检测系统可以动态监控个体呼吸，实现数据自动存储、自动形成结论报告、对趋势做出统计分析和判断，还可以用来监测呼吸中止，自动声光报警，防止猝死发生。
综上可见，本发明实施例不仅可以有效监测湿度的大小变化，而且具有良好的工作稳定性和检测精度，不易受人体行动的干扰，佩戴舒适，十分适用于实时监测呼吸频率和呼吸强度。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明提供的湿度传感器及应用该湿度传感器的呼吸检测系统进行详细描述。
实施例1
如图1所示，一种湿度传感器，其具体结构包括：基底1、敏感薄膜3和两个导电电极2；敏感薄膜3和两个导电电极2均设于基底1上，并且敏感薄膜3表面设有一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团；两个导电电极2分别与敏感薄膜3电连接，并且两个导电电极2与敏感薄膜3的连接点之间的对水分子敏感的官能团存在浓度差。
具体地，该湿度传感器采用以下方法制成：通过绘图软件画出所需导电电极2的图案，然后使用普通喷墨打印方式在作为基底1的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜上制备掩膜，然后利用真空溅射技术在基底1上沉积出60nm左右厚度的金膜作为导电电极2，再通过四氢呋喃漂洗1分钟，即可得到所需导电电极2。利用喷墨印刷将配置好的氧化石墨烯油墨(2mg/ml)打印在两个导电电极2的一端及两个导电电极2之间形成敏感薄膜3；再通过外加电场处理(4V,1min)的方式使敏感薄膜3的表面形成一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团，并且两个导电电极2与敏感薄膜3的连接点之间的对水分子敏感的官能团存在浓度差。然后通过在导电电极2上外接引线，即可制得得到本发明实施例1所述的湿度传感器。
进一步地，对本发明实施例1所述的湿度传感器进行性能检测，从而得到如图2所示的电压随相对湿度变化的示意图。由图2可以看出：本发明实施例1所述的湿度传感器随着相对湿度的逐渐增加，吸附水分子增多，自发极化产生的电信号变大；而随着相对湿度的逐渐降低，水分子逐渐从表面脱附，产生的电信号逐渐减小。
实施例2
如图3和图4所示，一种呼吸检测系统，其具体结构包括：湿度传感器4、中央处理器5和设有移动终端模块的手机6；中央处理器B包括信号处理模块、微处理器、无线通信模块和电源。湿度传感器A设于贴在用户的鼻腔下端出气处，用于实时监测呼吸，并将监测到的呼吸时电信号传输到中央处理器5中。在中央处理器5中，信号处理模块与湿度传感器4电连接，并获取湿度传感器4采集的呼吸时电信号，再进行信号放大处理、滤波降噪处理、模数转换处理等初步信号处理后传输到微处理器；微处理器分别与信号处理模块和无线通信模块电连接，并对初步信号处理后的呼吸时电信号进行二次信号处理，再通过无线通信模块(例如：蓝牙)发送给设有移动终端模块的手机6；电源分别与信号处理模块和微处理器连接，用于为信号处理模块和微处理器供电。设于手机6上的移动终端模块接收二次信号处理后的呼吸时电信号，并对其进行分析处理获取呼吸状况监测数据，再将该呼吸状况监测数据实现显示给用户，同时通过进一步分析得出呼吸体征报告，并在一定情况下(例如：呼吸暂停)启动报警功能。此外，设于手机6上的移动终端模块还可进一步将呼吸状况监测数据发送到服务器中，供医院等分析机构进一步进行专业的医学分析和诊断。
具体地，对本发明实施例2所述的呼吸检测系统进行性能检测，从而得到如图5所示的电流随时间变化的示意图。由图5可以看出：使用本发明实施例1所述的呼吸检测系统可以有效的检测呼吸频率和呼吸时的各种状态，包括随机式呼吸、呼吸暂停、深呼吸和正常静态呼吸等呼吸模式，这说明本发明实施例1所述的呼吸检测系统可有效的实时动态监控个人呼吸、监测呼吸中止，并能智能化的进行数据存储和显示，还能对趋势做出统计分析和判断。同时具有便携性，体积小巧，可以随身携带等优点。
综上可见，本发明实施例不仅可以有效监测湿度的大小变化，而且具有良好的工作稳定性和检测精度，不易受人体行动的干扰，佩戴舒适，十分适用于实时监测呼吸频率和呼吸强度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种湿度传感器，其特征在于，包括：基底、敏感薄膜和两个导电电极；
敏感薄膜和两个导电电极均设于基底上，并且敏感薄膜表面含有一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团；两个导电电极分别与敏感薄膜电连接，并且两个导电电极与敏感薄膜的连接点之间的对水分子敏感的官能团存在浓度差。
2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于，所述的敏感薄膜采用有机高分子半导体材料、金属氧化物材料或无机碳材料中的至少一种制成。
3.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，采用外加电场极化、喷墨印刷不同厚度梯度的薄膜中的至少一种处理方式在敏感薄膜表面制成一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团；
其中，所述外加电场极化的方式包括：将在相对湿度为55％～98％的条件下，将两个导电电极外接直流电源，该直流电源的电压为0.1～10V,处理时间为0.5～30min,从而在敏感薄膜表面制成一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团；
所述的喷墨印刷不同厚度梯度的薄膜的方式包括：采用喷墨打印从一个导电电极到另一个导电电极印刷一层厚度梯度递增或厚度梯度递减的对水分子敏感的官能团薄膜，并且这两个导电电极与该官能团薄膜的连接点之间的对水分子敏感的官能团存在浓度差,从而即可在敏感薄膜表面制成一层浓度呈梯度分布的对水分子敏感的官能团。
4.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，所述的导电电极为金属电极、碳电极或高分子电极中的至少一种。
5.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，所述的敏感薄膜的长度、宽度、厚度均为纳米级至厘米级。
6.根据权利要求1或2所述的湿度传感器，其特征在于，所述的敏感薄膜采用喷墨印刷、喷涂、刮涂、激光刻蚀或卷对卷技术制成。
7.一种呼吸检测系统，其特征在于，包括：信号处理模块、微处理器、无线通信模块、电源、移动终端模块以及至少一个上述权利要求1至6中任一项所述的湿度传感器；
信号处理模块获取湿度传感器采集的呼吸时电信号，并进行初步信号处理后传输到微处理器；微处理器对初步信号处理后的呼吸时电信号进行二次信号处理，并通过无线通信模块发送给移动终端模块；移动终端模块接收二次信号处理后的呼吸时电信号，并对其进行分析处理获取呼吸状况监测数据，再将该呼吸状况监测数据反馈给用户；
电源分别与信号处理模块和微处理器连接，用于为信号处理模块和微处理器供电。
8.根据权利要求7所述的呼吸检测系统，其特征在于，所述的湿度传感器架设在呼吸气流的运动路线上。
9.根据权利要求7或8所述的呼吸检测系统，其特征在于，所述的初步信号处理包括信号放大处理、滤波降噪处理或模数转换处理中的至少一种。
10.根据权利要求7或8所述的呼吸检测系统，其特征在于，还包括：服务器；
所述的移动终端模块将所述的呼吸状况监测数据发送给服务器；服务器接收所述的呼吸状况监测数据，并进行存储、医学分析和诊断，以为用户提供监测和防护。
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