CN109717872A - 基于压电悬臂梁的呼吸检测传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电悬臂梁的呼吸检测传感器，包括支撑层和悬臂，所述悬臂梁一端为固定端，固定于所述支撑层，另一端为自由端；悬臂梁靠近固定端的部分具有压电层，靠近自由端的部分具有湿敏层。所述压电层的上下两侧分别与一电极相连，用于信号输入和输出。湿敏层在快速吸水、脱水过程中引起悬臂梁等效质量的改变，从而改变悬臂梁的谐振频率。本发明提出了以频率为输出信号的呼吸检测传感器，检测呼吸过程中气体湿度变化，采用闭环振荡电路实时跟踪悬臂梁的谐振频率，从而满足呼吸检测的快速性与准确性的要求。

Description

基于压电悬臂梁的呼吸检测传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及到的是一种基于压电悬臂梁的呼吸检测传感器及其检测方法。

背景技术

现代微机电系统(MEMS)技术提供了基于微纳米尺度设计传感器的思路。MEMS谐振器具有体积小、重量轻、功耗低、测量精度高、稳定性好、易批量生产、直接输出准数字量等优点。此外，MEMS的微加工工艺和CMOS工艺相兼容，可以采用IC工艺大规模批量加工测试系统。悬臂梁谐振器与其他类型的谐振器相比，具有很宽的动态范围和具有很高的分辨率，适合于多种场合的物理量和化学量的测量。氧化石墨烯是一种二维材料，结构性质与石墨烯大体相同，但是在二维基面上连有含氧官能团，包括这羟基、环氧官能团、梭基等。羟基和环氧官能团主要位于石墨烯的基面上，梭基处在石墨烯的边缘处。极大的表面积与体积比以及丰富的含氧官能团赋予氧化石墨烯良好的亲水特性，可以轻易的吸附水分子，并且从高湿环境进入低湿环境时，快速脱落水分子。基于覆盖有氧化石墨烯的压电悬臂梁，本发明提出了一种检测呼吸过程中气体湿度变化的呼吸检测传感器。该传感器的主要工作原理是，氧化石墨烯在快速脱水吸水时引起悬臂梁等效质量变化，进而使MEMS压电悬臂梁的谐振频率发生变化，通过分析频率变化就可以获得人类呼吸状况。

发明内容

本发明提出一种基于压电悬臂梁的呼吸检测传感器及其检测方法，旨在解决现有呼吸检测传感器体积大、成本高、难以集成等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于压电悬臂梁的呼吸检测传感器，包括支撑层和悬臂，所述悬臂梁一端为固定端，固定于所述支撑层，另一端为自由端；悬臂梁靠近固定端的部分具有压电层，靠近自由端的部分具有湿敏层。所述压电层的上下两侧分别与一电极相连，用于信号输入和输出。

进一步地，所述湿敏层由氧化石墨烯膜构成，优选为氧化石墨烯气凝胶膜。

进一步地，所述支撑层上固定有与所述悬臂一体的固定块。

进一步地，其中一个电极覆盖于所述压电层上，另一电极固定于所述固定块上，通过固定块和悬臂上的导电涂层与所述压电层实现电连接。

进一步地，位于压电层上的电极延伸至所述固定块。

进一步地，悬臂的材料为硅；压电层的材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷；底电极和上电极的材料为铝和铬。

一种呼吸检测方法，将上下两个电极与一振荡电路相连，电信号传递至压电层，由于压电效应将电能转化为机械能，驱动悬臂谐振。悬臂的振动导致压电层发生形变，由于逆压电效应将机械能转化为电能，电信号通过底电极传输至外部设备。湿敏层吸水和脱水时，会改变悬臂梁的等效质量，进而改变悬臂梁的谐振频率，使得输出的电信号发生变化。通过检测该电信号，即可获得呼吸频率。

本发明的有益效果是：针对呼吸过程中呼出气体和吸入气体的湿度变化，对呼吸进行检测，具有高灵敏度，能够检测微弱呼吸；与振荡电路结合构成完整机电系统，具有响应快、稳定性好的优势；能和CMOS工艺集成，具有体积小、成本低的优势。

附图说明

图1是基于压电悬臂梁的呼吸检测传感器示意图；

图2是振荡电路模块示意图；

图3是本发明的微谐振式静电计的工作模态和响应信号图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在图1中，基于覆盖有氧化石墨烯的压电悬臂梁的呼吸检测传感器，包括支承层1、绝缘层2、悬臂3、与悬臂一体的固定块12、下电极4、上电极5、压电层6和湿敏层7。

所述悬臂梁一端为固定端，与所述固定块12一体连接形成T字形结构，固定块12固定于所述支撑层1，另一端为自由端；悬臂梁靠近固定端的部分具有压电层6，作为换能元件；靠近自由端的部分具有湿敏层7。绝缘层2用于将固定块12和支撑层1之间进行绝缘隔离，下电极4布置于支撑层1上，通过表面掺杂硅与压电层6相连，作为信号输出端；上电极5布置于压电层6上方，作为信号输入端；底电极4和上电极5分别通过连接线与不同的接线端相连；

特定电信号自上电极5输入，传递至压电层6，由于压电效应将电能转化为机械能，驱动基层3谐振。基层3的振动导致压电层6发生形变，由于逆压电效应将机械能转化为电能，电信号通过底电极4传输至外部设备。覆盖于悬臂梁基层3自由末端的湿敏层7(氧化石墨烯)作为湿敏材料，具有极大的表面积和体积比以及丰富的含氧官能团，用于快速吸收和脱离水分。氧化石墨烯7快速吸水和脱水时，会改变悬臂梁的等效质量，进而改变悬臂梁的谐振频率。

在本实施例中，悬臂长度为600μm，宽度为300μm。压电层6的材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷，长度为300μm，宽度为300μm；湿敏层7可以采用氧化石墨烯膜，优选氧化石墨烯气凝胶膜，长度为300μm，宽度为300μm；悬臂3的材料为硅，厚度为10μm；下电极和上电极的材料为1μm铝和0.02μm铬；悬臂梁谐振器的谐振频率为49.203kHz。

在图2中，频率跟踪系统用于输入指定的谐振信号，并获得所述传感器输出的电信号，包括滤波放大模块9、相位调节模块10和自动增益控制模块11。与本发明的呼吸检测传感器8的电极相连，形成闭环系统。呼吸检测传感器8作为选频元件，调节滤波放大模块9、相位调节模块10和自动增益模块11，使得闭环振荡电路能够准确跟踪谐振器频率。该呼吸检测传感器闭环频率跟踪系统能够对呼吸进性实时动态检测。图3为使用该呼吸检测传感器闭环频率跟踪系统检测呼吸频率的数据曲线。图3表明，该呼吸检测传感器闭环频率跟踪系统能够对超过70次的呼吸频率进行跟踪，响应速度和灵敏度满足要求。

Claims (7)

1.一种基于压电悬臂梁的呼吸检测传感器，其特征在于，包括支撑层和悬臂，所述悬臂梁一端为固定端，固定于所述支撑层，另一端为自由端；悬臂梁靠近固定端的部分具有压电层，靠近自由端的部分具有湿敏层。所述压电层的上下两侧分别与一电极相连，用于信号输入和输出。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述湿敏层由氧化石墨烯膜构成，优选为氧化石墨烯气凝胶膜。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述支撑层上固定有与所述悬臂一体的固定块。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，其中一个电极覆盖于所述压电层上，另一电极固定于所述固定块上，通过固定块和悬臂上的导电涂层与所述压电层实现电连接。

5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，位于压电层上的电极延伸至所述固定块。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，悬臂的材料为硅；压电层的材料为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷；底电极和上电极的材料为铝和铬。

7.一种权利要求1所述的传感器的呼吸检测方法，其特征在于，该方法为：将上下两个电极与一振荡电路相连，电信号传递至压电层，由于压电效应将电能转化为机械能，驱动悬臂谐振。悬臂的振动导致压电层6发生形变，由于逆压电效应将机械能转化为电能，电信号通过底电极4传输至外部设备。湿敏层吸水和脱水时，会改变悬臂梁的等效质量，进而改变悬臂梁的谐振频率，使得输出的电信号发生变化。通过检测该电信号，即可获得呼吸频率。