CN109164140B - 一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器，属于微电子机械技术领域，包括测试腔和数字静电计，测试腔的上下内侧壁上分别设置有上下对称的上检测组件和下检测组件；上检测组件包括从上到下依次粘接的基板、电极以及第一薄膜，基板与测试腔的上内侧壁粘接；测试腔内设置有橡胶气囊，橡胶气囊上粘接有摩擦薄膜，橡胶气囊的左端连通有进气筒，橡胶气囊的右端连通有出气筒；橡胶气囊对称轴与上检测组件和下检测组件上下对称的对称轴重合；上检测组件和下检测组件均与数字静电计电连接，数字静电计接地，不需要外部提供供电系统且直接利用呼吸气的动能来驱动橡胶气囊的膨胀，实现自发的检测呼吸频次、呼吸气量以及目标气体的浓度。

Description

一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及微电子机械技术领域，具体涉及一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器及其制备方法。

背景技术

人体呼吸气中的成分复杂，除了N₂，O₂，CO₂以及H₂O这些主要成分之外，还存在上百种其他痕量气体。呼吸气成分的变化来源于人体内部某些组织结构的新陈代谢。正常情况下，呼出气中这些气体的浓度会维持在一定的范围内。然而，如果这些组织结构发生病变，其新陈代谢势必出现问题，导致一些中间产物因无法分解而随呼吸气排出体外，因此我们可以通过检测呼出气中目标气体的浓度即可初步诊断人体所患疾病。

目前检测呼出气的方法主要有气相色谱法，同位素标定法，传感器检测法。气相色谱法的原理是通过不同气体在固定相中流速不同而发生分离，对分离的气体进行检测。尽管其精度很高，然而气相色谱仪过于笨重庞大，价格昂贵限制了它的应用；同位素标定法常用于幽门螺杆菌感染的胃病检测：通过口服C-13尿素胶囊，如果胃部存在幽门螺杆菌，则此菌就会分解尿素酶水解尿素，尿素被水解后形成CO₂随血液进入肺部并以气体排出，然后检测患者呼出的气体中被标记C-13的浓度即可判断胃病的严重程度。但是口服药物对身体具有一定危害，且检测装置价格也比较高；传感器检测法基于目标气体与金属或其氧化物发生反应，从而导致材料电学性能发生改变。这类传感器具有价格低廉、检测极限较低等优点，但是传感器需供能加热以提供测试的工作条件，严重制约了其在室温条件工作的应用。近年来，有机高分子聚合物气敏材料的研究十分火热，它具有室温工作，材料易得，容易改性，价格低廉等诸多优势，逐渐取代了金属氧化物成为最具有前景的新气敏材料。

近几十年以来，随着化石能源的不断消耗并枯竭，寻找一种绿色、低碳、广泛、易获得的能源至关重要。在电子产品十分普及的情况之下，电池的使用数目急剧增加。然而传统电池内部有害物质的回收利用势必会对环境造成污染，且频繁地更换电池也会减少器件的使用寿命。因此，如果工作器件本身能够存储能量甚至是自发电以供能，可以节约大量的人力物力财力。自然界中存在许多微能源，如风能、潮汐能等，但由于以前的技术受限以及过低的转换效率，这类具有广大应用前景的能源的发掘与利用未能实现。

在2012年，一种新型的能量产生装置——摩擦纳米发电机的问世为微能源的利用提供了契机，它被证明是一种具有极高转换效率的装置。通过摩擦起电与静电感应相结合的原理，机械能驱动器件进行相对位置的周期性变化，从而使器件感应电荷发生周期性变化，在外电路形成往返的电流。结合气体传感器的运用，如果利用呼吸气流作为驱动源的同时又作为被测试对象，将摩擦纳米发电机与有机高分子聚合物气敏材料结合起来，形成一种一体化自供能气体传感器，就可以不需要额外的供能系统直接测得呼吸气中目标气体得浓度，这类传感器具有广大的应用前景。

发明内容

本发明针对传统的检测方法存在的价格昂贵，实用温度范围窄以及需要口服药伤害身体的问题，本发明提出了一种结构新颖、成本低廉、实用性高以及可充分利用自然界能量的呼吸驱动的自供能呼吸检测传感器。附着有摩擦材料的橡胶气囊发生膨胀-收缩，导致与上下第一薄膜发生接触-分离，在电极上的感应电荷与地形成回路，从而产生交变输出。

本发明的技术方案为：

一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器，包括测试腔和数字静电计，测试腔的上内侧壁上设置有上检测组件，测试腔的下内侧壁上设置有下检测组件；上检测组件和下检测组件上下对称设置；

所述上检测组件包括从上到下依次粘接的基板、电极以及第一薄膜，基板与所述测试腔的上内侧壁粘接；

所述上检测组件和所述下检测组件之间设置有橡胶气囊，橡胶气囊上粘接有摩擦薄膜，橡胶气囊的左端连通有进气筒，橡胶气囊的右端连通有出气筒，进气筒伸出所述测试腔，出气筒设置于所述测试腔内；

所述第一薄膜和所述摩擦薄膜的摩擦电性相反；所述橡胶气囊上下对称设置且其对称轴与所述上检测组件和下检测组件上下对称的对称轴重合；

所述上检测组件和下检测组件均与所述数字静电计电连接，数字静电计接地。

本技术方案的有益效果/工作原理为：人体呼出的气体通过进气筒进入橡胶气囊内，橡胶气囊受气体的挤压膨胀，当粘接于橡胶气囊外的摩擦薄膜与第一薄膜接触且摩擦时，摩擦薄膜得到电子，从而使得摩擦薄膜和第一薄膜带上等量异号电荷，由于摩擦薄膜和第一薄膜相对于电极之间的距离差很小，因此对电极的感应能力相同，因此电极表面不带电荷；人体吸气时，橡胶气囊收缩，摩擦薄膜与第一薄膜分离，由于摩擦电荷在摩擦薄膜和第一薄膜上停留的时间长，故而虽然摩擦薄膜和第一薄膜分开了，但是在静电感应的作用下，第一薄膜和电极的相对位置始终不变，故而电极因第一薄膜感应的负电荷不变，而当摩擦薄膜远离电极，静电感应能力下降，电极因摩擦薄膜感应的正电荷数随摩擦薄膜远离电极距离的增大而减小，因此需要从大地抽取负电荷以形成静电屏蔽，由此产生电流，随着橡胶气囊收缩达到极限时，从大地抽取的用于静电屏蔽的负电荷达到最大值；当人体呼气时，橡胶气囊重新膨胀时，由于摩擦薄膜开始接近电极，电极因摩擦薄膜感应的正电荷数开始增加，因此静电屏蔽的负电荷需求量减少，多余的负电荷将重新流回大地形成相反的电流，当摩擦薄膜与第一薄膜接触时，重复最开始的电荷转移过程；通过呼吸周期性驱动橡胶气囊膨胀和收缩，就可以得到周期性的信号输出，实现不需要外部提供供电系统，且可直接利用呼吸气的动能来驱动橡胶气囊的膨胀，实现自发的检测呼吸频次和呼吸气量。

进一步限定，所述上检测组件上开设有进气口，进气口贯穿所述上检测组件，进气口上连接有进气管，进气管贯穿所述测试腔且伸出；

所述下检测组件上开设有出气口，出气口贯穿所述下检测组件，出气口上连接有出气管，出气管贯穿所述测试腔且伸出。

本技术方案为的工作原理/有益效果为：数字静电计进行模拟测试数据采集，在测试呼出气中目标气体的浓度之前首先需要对不同目标气体浓度的响应进行定标测试。使橡胶气囊膨胀或收缩并使测试腔中的气体形成一个循环，与此同时混合有目标气体的空气从进气管进入测试腔，通过出气管将气体排出。通气一段时间后断开进气来源，关闭出气阀，进行静态检测。

数字静电计进行测试数据采集，呼吸气通过前端的干燥处理与限流处理从进气筒通入气囊中，通过流量显示仪的示数来调节限流阀从而使流量与定标测试的流量一致。出气筒将呼吸气通入测试腔内。将呼吸气驱动得到的输出电压/电流信号与不同浓度目标气体驱动得到的输出电压/电流信号进行对比即可得到人呼吸气中目标气体的浓度，实现了自发检测呼吸气中目标气体的浓度。

进一步限定，所述橡胶气囊为丁腈橡胶气囊。

进一步限定，所述电极由有机薄膜表面蒸镀一层金属制成。

进一步限定，所述金属为铝、镍、铜、银以及金中的一种；所述有机薄膜由聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺制成。

进一步限定，所述电极的厚度为100～200nm。

进一步限定，所述第一薄膜由聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺、聚酰亚胺以及氧化石墨烯中的一种或多种混合制成。

进一步限定，所述摩擦薄膜由尼龙、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯以及聚酰亚胺中的一种制成。

进一步限定，所述所述摩擦薄膜由聚四氟乙烯制成。

本发明还提供了一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器的制备方法，包括以下步骤：1) 采用热蒸发法在基板上蒸镀一层电极，采用气喷工艺在电极表面喷涂一层第一薄膜得到上检测组件，下检测组件与上检测组件的结构相同；

2)将步骤1)所制得的上检测组件和下检测组件分别粘接于测试腔的上内侧壁上和下内侧壁上，且两块基板分别与测试腔的上内侧壁粘接和下内侧壁粘接；

3)将两根电线分别与下检测组件和上检测组件连接，两根电线的另一端均与数字静电计电连接，数字静电计接地；

4)将出气筒和进气筒分别与橡胶气囊的左右两端连通，出气筒不伸出测试腔，进气筒伸出测试腔，橡胶气囊安装于测试腔的中心位置且橡胶气囊的中心点与测试腔的中心点重合。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例1中柔性呼吸传感器的工作过程图；

图3是实施例1中恒定呼吸气流量时气流的频率与发电机的输出关系图；

图4是实施例1中恒定呼吸气频率时气流量大小与发电机的输出关系图；

图5是实施例1中在恒定呼吸气流量与频率时重复性测试；

图6是实施例2中柔性呼吸传感器的工作过程图；

图7是实施例2中恒定呼吸气流量与频率时的气敏测试；

其中：1-测试腔；2-基板；3-电极；4-第一薄膜；5-进气管；6-摩擦薄膜；7-橡胶气囊； 8-进气筒；9-出气筒；10-数字静电计；11-出气管；12-目标气体；13-干燥空气；14-注射器； 15-步进电机。

具体实施方式

本发明基于摩擦起电以及静电感应共同作用的机理，利用气敏材料与相对的摩擦材料之间摩擦电性的差异性使得材料在接触分离的过程中不断积累/释放电荷，从而在外电路产生交变电流，实现以自发检测呼吸气量、频次与呼吸气中目标气体浓度大小的人体呼吸自驱动柔性呼吸传感器。

为使本领域技术人员详细了解本发明的生产工艺和技术效果，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

实施例1

如图1所示，一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器，包括测试腔1和数字静电计10，测试腔1的上内侧壁上设置有上检测组件，测试腔1的下内侧壁上设置有下检测组件；上检测组件和下检测组件上下对称设置；所述上检测组件包括从上到下依次粘接的基板2、电极3以及第一薄膜4，第一薄膜4为第一摩擦薄膜，基板2与所述测试腔1的上内侧壁粘接；所述上检测组件和所述下检测组件之间设置有橡胶气囊7，橡胶气囊7上粘接有摩擦薄膜6，橡胶气囊7的左端连通有进气筒8，橡胶气囊7的右端连通有出气筒9，进气筒8伸出所述测试腔1，出气筒9设置于所述测试腔1内；所述橡胶气囊7上下对称设置且其对称轴与所述上检测组件和下检测组件上下对称的对称轴重合；所述上检测组件和下检测组件均与所述数字静电计10电连接，数字静电计10接地；

其中数字静电计10为Keithley6514数字静电计，摩擦薄膜6为聚四氟乙烯薄膜，电极 3为金电极，第一薄膜4为尼龙薄膜，橡胶气囊7为丁腈气囊。

制备监测人体呼吸情况(包含呼吸频次、呼吸气量)的人体呼吸自驱动柔性呼吸传感器，其制备步骤如下：

(1)：取一块2mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃板，通过激光切割机将其切割成相应的基板。

(2)：取一块厚度为0.1mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯有机薄膜经化学试剂丙酮、乙醇等清洗并干燥。

(3)：通过激光切割机将清洗好的聚对苯二甲酸乙二醇酯有机薄膜切割成3cm×3cm 的正方形基板。

(4)：使用热蒸发法在长方形基板上蒸镀一层金，形成两个相同的金电极。

(5)：在金电极表面转移一层尼龙薄膜，尼龙薄膜可以通过激光处理等方式将其表面改性。

(6)：将(5)制备得到的金电极的聚对苯二甲酸乙二醇酯有机薄膜一侧分别贴在(1) 中切好的上下基板预留区域上，尼龙薄膜朝测试腔内侧。同时从两个电极处引出导线。

(7)：取一只丁腈手套，将手套中指处裁剪成5cm长的空心筒，然后将其两侧与进出气管用密封胶进行缠绕密封，形成气囊状结构，最后用双面胶将聚四氟乙烯薄膜粘在气囊上。

(8)：将切好的聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃板用两液混合硬化胶组装成封装腔，然后将丁腈气囊固定装置固定在腔室中间处，丁腈气囊与金电极处于同一垂直线上，完成组装。

(9)：采用Keithley6514数字静电计进行数据采集，呼吸气通过前端的干燥处理从进气管经流量显示仪通入丁腈气囊中，出气管将呼吸气通入测试腔内。通过计算单位时间内输出的波形个数即得呼吸频次，通过观察输出波形的峰值即得呼吸气量。

如图1所示，该基于接触-分离式监测人体呼吸情况的呼吸传感器的发电原理如图2所示。如图2(a)所示，在初始位置时，由于无摩擦材料的接触，系统处于无电荷转移的状态，此时金电极与地具有相同的电势。如图2(b)所示，在气流作用下，使丁腈气囊发生膨胀，此时丁腈气囊表面附着的聚四氟乙烯率先与其相对的尼龙薄膜发生接触，由于尼龙与附着的聚四氟乙烯之间摩擦电极序差比较大，两者靠近时聚四氟乙烯膜将从尼龙膜上得到电子，从而使得两个接触面带上等量异号的电荷。由于聚四氟乙烯与尼龙膜之间距离很小，因此对金电极的感应能力相同，故金电极表面不带电荷。聚四氟乙烯与尼龙作为高分子绝缘材料，其摩擦电荷将在材料表面停留很长的时间。一旦丁腈气囊因吸气逐渐收缩而慢慢远离尼龙薄膜，在静电感应的作用下由于尼龙与金电极的相对位置始终不变，故金电极因尼龙感应的负电荷不变。而随着聚四氟乙烯远离金电极，静电感应能力下降，故金电极因聚四氟乙烯感应的正电荷数目随聚四氟乙烯远离金电极距离的增大而减小。因此需要从地抽取负电荷以形成静电屏蔽，由此产生电流，如图2(c)所示。随着丁腈气囊达到收缩的极限时，从地抽取的用于静电屏蔽的负电荷达到最大值，如图2(d)所示。当丁腈气囊开始重新膨胀时，由于聚四氟乙烯开始接近金电极，金电极因聚四氟乙烯感应的正电荷数目开始增加，因此静电屏蔽的负电荷需求量减少，于是多余的负电荷将重新流回地形成与图2(c)相反的电流，如图2(e)所示。气囊继续膨胀，直到聚四氟乙烯与尼龙重新接触，就又回到图2(b)所示的工作模式。通过呼吸周期性驱动气囊膨胀收缩，就可以得到周期性的信号输出。

图3为在恒定呼吸气流量(3.5L/min)下呼吸气的频率大小与输出电压的关系曲线图，图4为在恒定呼吸频率(1Hz)下呼吸气流量大小与输出电压的关系曲线图，图5为在恒定呼吸气流量与频率(6L/min，0.66Hz)下的稳定性与重复性测试。

实施例2

制备监测人体呼吸中目标气体浓度的呼吸气传感器，其检测步骤如下：

(1)：取一块2mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃板，通过激光切割机将其切割成相应的基板，组装成测试腔。

(2)：取一块厚度为250μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯有机薄膜经化学试剂丙酮、乙醇等清洗并干燥。

(3)：通过激光切割机将清洗好的聚对苯二甲酸乙二醇酯有机薄膜切割成3cm×3cm 的正方形基板。

(4)：使用热蒸发法在长方形基板上蒸镀一层金电极，形成电极，电极尺寸为3cm×3cm。

(5)：通过原位聚合方法组装聚苯胺-金属氧化物气敏材料，然后采用气喷工艺在金电极表面附着一层聚苯胺气敏薄膜。

(6)：将(5)制备得到的金电极的聚对苯二甲酸乙二醇酯一侧分别贴在(1)中切好的测试腔上下基板预留区域上，聚苯胺气敏薄膜朝测试腔内侧。同时从电极处引出导线。

(7)：制备中间层器件：取一只丁腈手套，将手套中指处裁剪成5cm长的空心筒，然后将其两侧与进出气管用密封胶进行缠绕密封，形成气囊状结构，最后用双面胶将聚四氟乙烯薄膜粘在气囊上。

(8)：将切好的聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃板用AB胶组装成封装腔，然后将中间层器件用固定装置固定在腔室中间处，丁腈气囊与金电极处于同一垂直线上，将进出气口分别与气管相连，完成器件组装。

(9)：采用Keithley6514数字静电计进行模拟测试数据采集，在测试人体呼出气中目标气体的浓度之前首先需要对不同目标气体浓度的响应进行定标测试。使用如图6所示的测试系统，步进电机15驱动注射器14运动使丁腈气囊膨胀收缩并使测试腔中的气体形成一个循环。与此同时混合有目标气体12的干燥空气13从进气口进入测试腔，通过出气口将气体排出。通气2小时后断开进气来源，关闭出气阀，进行静态检测。

(10)：采用Keithley6514数字静电计进行呼吸测试数据采集，人体呼吸气13通过前端的干燥处理与限流处理从进气管通入气囊中，通过流量显示仪的示数来调节限流阀从而使流量与定标测试的流量一致。出气管将呼吸气通入测试腔内。将呼吸气驱动得到的输出电压/电流信号与不同浓度目标气体驱动得到的输出电压/电流信号进行对比即可得到人呼吸气中目标气体的浓度。

图7为模拟测试(流量：1.5L/min，频率：0.5Hz)情况下不同浓度目标气体(此处为氨气)与输出开路电压的关系图；需要指明的是，在所有的曲线图中，横坐标均是时间，纵坐标是电压。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器，其特征在于，包括测试腔(1)和数字静电计(10)，测试腔(1)的上内侧壁上设置有上检测组件，测试腔(1)的下内侧壁上设置有下检测组件；上检测组件和下检测组件上下对称设置；所述上检测组件包括从上到下依次粘接的基板(2)、电极(3)以及第一薄膜(4)，基板(2)与所述测试腔(1)的上内侧壁粘接；

所述上检测组件和所述下检测组件之间设置有橡胶气囊(7)，橡胶气囊(7)上粘接有摩擦薄膜(6)，橡胶气囊(7)的左端连通有进气筒(8)，橡胶气囊(7)的右端连通有出气筒(9)，进气筒(8)伸出所述测试腔(1)，出气筒(9)设置于所述测试腔(1)内；

所述第一薄膜(4)和所述摩擦薄膜(6)的摩擦电性相反；所述橡胶气囊(7)上下对称设置且其对称轴与所述上检测组件和下检测组件上下对称的对称轴重合；所述上检测组件和下检测组件均与所述数字静电计(10)电连接，数字静电计(10)接地；

所述第一薄膜(4)由聚氧化乙烯、聚乙烯亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、聚苯胺、聚酰亚胺以及氧化石墨烯中的一种或多种混合制成。

2.根据权利要求1所述的一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器，其特征在于，所述上检测组件上开设有进气口，进气口贯穿所述上检测组件，进气口上连接有进气管(5)，进气管(5)贯穿所述测试腔(1)且伸出；所述下检测组件上开设有出气口，出气口贯穿所述下检测组件，出气口上连接有出气管(11)，出气管(11)贯穿所述测试腔(1)且伸出。

3.根据权利要求1所述的一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器，其特征在于，所述橡胶气囊(7)为丁腈橡胶气囊。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器，其特征在于，所述电极由有机薄膜表面蒸镀一层金属制成。

5.根据权利要求4所述的一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器，其特征在于，所述金属为铝、镍、铜、银以及金中的一种；所述有机薄膜由聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺制成。

6.根据权利要求1所述的一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器，其特征在于，所述电极的厚度为100～200nm。

7.根据权利要求1所述的一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器，其特征在于，所述摩擦薄膜(6)由尼龙、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯以及聚酰亚胺中的一种制成。

8.根据权利要求7所述的一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器，其特征在于，所述摩擦薄膜(6)由聚四氟乙烯制成。

9.根据权利要求1~8任一项所述的一种人体呼吸自驱动的柔性呼吸传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用热蒸发法在基板上蒸镀一层电极，采用气喷工艺在电极表面喷涂一层第一薄膜得到上检测组件，下检测组件与上检测组件的结构相同；

2)将步骤1)所制得的上检测组件和下检测组件分别粘接于测试腔的上内侧壁上和下内侧壁上，且两块基板分别与测试腔的上内侧壁粘接和下内侧壁粘接；

3)将两根电线分别与下检测组件和上检测组件连接，两根电线的另一端均与数字静电计电连接，数字静电计接地；

4)将出气筒和进气筒分别与橡胶气囊的左右两端连通，出气筒不伸出测试腔，进气筒伸出测试腔，橡胶气囊安装于测试腔的中心位置且橡胶气囊的中心点与测试腔的中心点重合。

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